偶然or頻發，鋰離子電池安全問題如何破解？
近期，宏基、三星、戴爾、微盟電子等廠家陸續向國家市場監管總局備案了召回信息，筆記本電腦鋰離子電池的安全性再次引發廣泛關注。我們特邀清華大學化學系教授、博士生導師邱新平答疑解惑，他主要從事鋰離子電池等先進化學電源的基礎及應用研究。
鋰離子電池自1990年研發成功以來，其能量密度是可充電電池類別中最高的。能量密度是電池的重要參數，由於鋰離子電池具有高能量密度，其應用領域從最初在攝像機，逐步擴大到電腦、手機等產品中。
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鋰離子電池目前無可替代
「自從有了鋰離子電池，我們的手機應用狀況發生了巨大的變化，從原來的大哥大，逐步變小變薄，又到現在的超薄，手機功能也從簡單的通話提升到5G通訊。因為鋰離子電池可以滿足輕、薄、電量供應又大的需求，目前鋰離子電池在信息產業已經成為無可替代的電池體系。」談及鋰離子電池的發展，邱新平如是說。
能量密度的提高是電池研究和應用的永恆主題。據邱新平介紹，近五年來，鋰離子電池的能量密度不斷提高，五年前鋰離子電池的能量密度約為180Wh/kg，現在提高到260Wh/kg。2017年，工信部等部門發布《汽車產業中長期發展規劃》，提出到2025年，新能源汽車占汽車產銷20%以上，動力電池系統比能量達到350Wh/kg。
進一步提高能量密度是鋰離子電池的未來發展方向之一，通過選擇新的材料，如選用比容量達到220mAh/g的高鎳或鈷正極材料、比容量在600～700mAh/g的硅碳複合負極材料，電池的能量密度將會提高到300Wh/kg以上。不可否認，能量密度提高，可能會引起電池安全性和循環壽命下降。但「這個不是絕對的，可以通過改善電池生產工藝和改進電池結構來提高電池的安全性與電池的壽命。」邱新平認為，未來3～5年，鋰離子電池仍不能被其他電池所替代，從整體產業技術路線來看，鋰離子的發展還是在兼顧安全性和循環壽命的前提下，盡量地提高能量密度，這是整個電池行業的主題。「所以，鋰離子電池在今後的幾年或者五年十年仍然是相機、移動通訊等攜帶型設備，以至電動汽車的主流電源，這是無可非議的。」
鋰離子電池的三大優點
與其他電池相比，鋰離子電池除了能量密度高之外還有以下幾個優點。
首先是使用壽命長。隨著科技的進步，其他電池的壽命雖然也在延長，但與鋰離子電池相比仍存在差距，這由其基本原理來決定，且反應界面也不一樣。界面穩定也是決定循環壽命的一個關鍵指標。目前，像電動自行車用的鉛酸電池基本用2~3年就得更換，在深充深放條件下僅可充放電200~300次。而鋰離子電池可以充放1000~2000次，儲存式鋰離子電池甚至可充放10000次以上。
二是綠色環保。鋰離子電池中沒有像鉛、汞之類的重金屬，都是一些輕金屬。鋰本身對人體沒有傷害。鈷有微毒性，但對人體傷害不大，錳在醫療上有應用，如用作外敷或消毒等用途，所以說鋰離子電池是綠色環保電池。
三是適用性廣泛。鋰離子電池結構在形狀上多變，可以做成長的、方的、圓的、扁的等各種形狀，因此可以適用各種各樣的情形，可以根據不同的需求，設計成不同形狀、不同特性的電池。
通過技術可以提高電池安全性
鋰離子電池發生熱失控主要是由於內部產熱速率遠高於散熱速率，當鋰離子電池內部積攢大量的熱量使電池內的溫度升至某一溫度（熱失控溫度）時，電池內部會發生連鎖反應，導致電池起火和爆炸。觸發熱失控的因素很多，包括擠壓、短路、過充、外部熱源等。「熱失控溫度是評價電池的安全性重要參數。熱失控溫度每提高10度，安全隱患就會降低10倍，選用高穩定的電極材料、電解質體系可以提高電池的熱失控溫度。當然，在使用電池過程中，加強散熱對提高電池安全性也非常重要。其次是盡量避免過充、碰撞等濫用情況發生。」
「提高電池的安全性，一方面需從優化電池材料與電池結構入手，另一方面需要改變電池應用環境。我們要安全地使用電池，即使用電池過程，要盡量考慮電池自身的安全特性，廠家在設計產品時，必須充分考慮電池的安全特性。」對於如何提高電池的安全性，邱新平給出了自己的建議。
實際上，之前三星Note7的召回原因，與電池熱失控密切相關。目手機用鋰離電池電壓從4.2V提高到4.35V，這就增加了安全風險。而三星公司則是因為電池反應活性高了，但在設計時考慮不充分，導致熱傳遞進入電池內部觸發熱失控反應，引起事故。「其實，從技術層面，如通過對材料表面處理、優化電池結構、改善手機的散熱條件，以上問題是可以解決的。」邱新平補充說。
安全使用鋰離子電池
說起目前多家企業開展筆記本電腦電池召回事件，邱新平說道：「目前大家都很關注電池的安全性問題，一旦發生事故，就會迅速引起輿論廣泛關注。如用事故發生的數量與產品的使用量的比值計算，應該還在PPM級（百萬分之幾），可以說發生事故的比例是很小的，可算作是偶然事件。」
8月初，微博乃至各大門戶網站一條名為「電動車在家充電爆炸」的視頻在網路快速傳播，引起眾多網友的關注。
「這是一起典型的鋰電池爆炸的案例。目前，我國電池生產企業多，一些小企業在某些小門類產品上，對安全性控制不夠。」邱新平說，「像一些知名的大企業，對電池安全性的控制非常嚴格，他們注重從源頭控制，對材料、工藝都會嚴格把關，所有零部件都能實現追溯跟蹤，因此，產品的安全性會有保障。而一些小企業則對電池安全性要求不高，其生產的產品容易出現安全事故。所以，目前像電腦這類通用產品的事故並不多，是像滑板車這類小門類的產品，反而會出事故。」邱新平建議，「要解決這個問題，國家需要提高這些小門類產品用的鋰電池的相關安全標準，實施強制性檢測，才有可能杜絕這些問題的發生！」
「實際上，鋰離子電池的應用到現在還不到30年，在這麼短的時間，在安全性方面做了很多研究和探索，變化也很大，能達到現在的水平，已經相當不錯。」邱新平肯定了鋰離子電池的安全性，「目前，我國電池生產企業多，技術水平參差不齊，這種情況下，出現的安全性問題不能完全歸因於鋰離子電池體系本身，我們要不斷認識電池的安全原理，從而安全地使用電池。」
（圖片均來源於網路）
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