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內部短路起火時間不到3秒，王朝陽揭示全固態(tài)金屬鋰電池安全隱患

內部短路起火時間不到3秒，王朝陽揭示全固態(tài)金屬鋰電池安全隱患

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內部短路起火時間不到3秒，王朝陽揭示全固態(tài)金屬鋰電池安全隱患

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在金屬鋰作為負極的全固態(tài)電池開始大規(guī)模量產并應用于新能源汽車和能源儲存領域前 ， 有一種說法悄然流行起來 。
這就是認為全固態(tài)電池比傳統(tǒng)鋰離子電池更安全 ， 因此選擇全固態(tài)電池的電動汽車起火時冒出的濃煙不一定是害人的二氧化碳 ， 而可能只是“氣化”的電池電解液 。
不過現(xiàn)在賓州州立大學和日產汽車的兩位教授帶來了讓全固態(tài)電池擁護者感到沮喪的研究結果——全固態(tài)電池真的比傳統(tǒng)鋰離子電池安全性更高嗎?
然而事實并不能讓他們滿意 。

全固態(tài)電池和固體鋰離子電池到底有什么區(qū)別?傳統(tǒng)鋰離子電池是由液體電解液和基于石墨負極材料和金屬氧化物正極材料的鋰離子電池組成的 。
這些電解液在常溫下具有一定的易揮發(fā)性 ， 能夠在高溫下迅速揮發(fā)并產生大量可燃氣體 ， 并且這類氣體的可燃性以及與大氣反應后所產生的可燃氣體都比普通的水蒸汽危險許多 。
而且在高溫下 ， 石墨負極不僅會對可造成儲存大量能量的金屬態(tài)鋰進行析出反應 ， 導致可用的負極材料減少 ， 還會對正極中常用的鎳鈷錳氧化物進行脫鋰反應 ， 導致正極材料也被消耗 ， 盡管它的反應速率遠比負極析出鋰反應慢 ， 但最終仍然會導致電池容量降低 ， 甚至無法釋放出儲存的所有能量 。
這些反應就叫做熱失控 ， 是觸發(fā)電池起火的最主要原因 。
而固體鋰離子電池能防止這一反應發(fā)生并降低揮發(fā)性和可燃性 ， 僅靠液體電解液換成固體電解質基本沒辦法辦到 ， 尤其是基于氟化物氧化物等高熔點氯鹽的高性能固體氧化物電解質 。
在這樣的高溫下 ， 這類固體電解質都不會熔化并分解 ， 因此至少不會由于電解質分解引發(fā)熱失控 。
全固態(tài)電池在此基礎上進一步將負極材料從石墨換成金屬鋰 。
這樣做是因為金屬鋰的理論能量密度遠超過石墨 ， 根據法拉第定律 ， 相同體積下含有更多鋰的金屬鋰負極能釋放出更多能量 。

理想情況下 ， 充分利用了金屬鋰優(yōu)于石墨的能量密度后 ， 全固態(tài)電池的理論能量密度甚至能夠超過其他許多類型的新型電池 ， 比如越來越被看好的鈉離子電池 ， 因為目前鈉離子電池仍然有很多技術障礙尚未攻克 。

全固態(tài)鋰金屬電池有著如此巨大的潛力 ， 因此越來越多的公司正在為此全力以赴 ， 許多人認為這種新的電池可能是未來發(fā)展方向 。
但是前提是這類全固態(tài)電池真的安全嗎?

全固態(tài)電池到底安全不安全?根據賓州大學材料學家王朝陽教授和日產汽車公司的膜工程研究主任大竹千晶之間的一項合作研究 ， 結果令人失望:全固態(tài)鋰金屬電池的起火速度將遠超傳統(tǒng)鋰離子電池 。
盡管與裝修工作扯上關系似乎沒有相關性 ， 但本項研究卻是由中國國際科技合作獎獲獎獲獎科學家的呼吁引發(fā)的 。
他指出 ， 目前全世界范圍內關于全固態(tài)鋰金屬電池技術還沒有一部標準專門來評估其安全性 ， 因此無法知道這類新型電池是否真的安全 ， 這樣一來就會嚴重阻礙它們這項重要技術的發(fā)展 。
因此王朝陽教授和大竹千晶決定合作寫一篇論文:
第一步先把全世界關于固體鋰金屬鹽膜樣品的數據庫收集匯總起來 ， 第二步寫論文概述將要建立一個新的標準來專門評估全固態(tài)體系中使用鋰金屬膜樣品的氣體對反應性 。
這樣的話 ， 上游材料研究人員就會知道自己在開發(fā)各種膜樣品時要盡量避免哪些氣體反應 ， 從而降低全固態(tài)鋰金屬膜體系對其他氣體反應性對全固態(tài)鋰金屬鹽膜體系性能及安全性嚴重要影響 。
然而 ， 在論文寫作過程中 ， 他們二人發(fā)現(xiàn)了一些前人未曾發(fā)現(xiàn)的新問題:
以高度可燃性的白色固體金屬鋰為負極 ， 即使是在全固態(tài)體系中 ， 內部短路都可能引發(fā)爆炸 。
與另外兩種體系中的傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池相比 ， 完整系中將鈉作為陽極和其他類庫侖反應型體系中的火災性相比 ， 全固態(tài)鈉離子體系也不會比全固態(tài)鋰離子體系危險得更加嚴重 。
要知道 ， 在完整體系中的經典實驗中 ， 有一個試驗是將原裝手機放入冰箱再次升溫 ， 然后拿出來放入40℃環(huán)境中進行觀察 ， 但這也僅僅只是在20分鐘后導致了溫室效應 ， 沒有點燃整個房間 。
這樣看來 ， 全固態(tài)鋰金屬電池只要將閃存芯片放入其中 ， 然后經受40℃環(huán)境20分鐘過后就會引發(fā)爆炸 ， 但這時情況將以比起源手機更嚴重許多倍 ， 并且有著即使國家消防隊都來不及救援都會迅速蔓延開來的速度轉變?yōu)榇蠡?。
但幸運的是 ， 通過通過重新設計電路 ， 減少短路風險還是可以實現(xiàn)盡量避免上述事件出現(xiàn)的 。
但是在無法避免短路發(fā)生時 ， 王教授和大竹博士還是認為全固態(tài)鋰金屬膜系統(tǒng)比其他三大類體系中的兩種傳統(tǒng)體系更危險性更大 。
科研成果到底有多厲害?為此 ， 他們二人一起進行了一系列實驗 ， 其中之一是在內部短路后觀察手機火災發(fā)生速率 。
結果表明 ， 全固態(tài)鋰金屬體系所需時間用于達到點燃整個房間所需時間只需1到3秒 ， 這大幅度超過了其他兩種類型短路后爆炸用時15分鐘甚至1小時的情況 。
由于現(xiàn)有防火措施非常慢 ， 所以看起來只有五個選項可以拯救人類:
第一選項是從機器人改成導線更準備或者不去靠近短路手機;
第二個選項是為手機制造一個耐腐蝕的鋼合金外殼;
第三個選項是選擇不在夏天為手機充電;
第四個選項是對手機進行重新設計 ， 以免設備短路;
第五個選項是使用新發(fā)現(xiàn)研究人員設計出新材料本身就具備較低反應性 。
最終 ， 所有這些數據都歸納進論文中 ， 并于2023年8月29日被國際能源權威期刊《Energy and Environmental Science》刊載 ， 被全球各大新聞媒體熱心報道 。
這篇論文正式發(fā)表后 ， 人們對其研究報告得出了兩個主要結論:
第一結論是 ， “氣化”的全固態(tài)鋰金屬膜不能被當成無害” ， 而應該當作“有毒”進行處理;
【內部短路起火時間不到3秒，王朝陽揭示全固態(tài)金屬鋰電池安全隱患】第二結論是 ， “不修改設計”是一種風險 ， 更改設計是一種遺產 ， 這樣以來就能夠確保安全而不再焦慮 。

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