传统锂电池安全事故频发 新型固态电池安全性更佳
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苏黎世联邦理工学院研究人员的实验室中，一片（白色）锂石榴石电解质，涂上作为电池负极使用的（黑色）锂化合物。
（图片来源于: ETH Zurich / Fabio Bergamin）
引言
传统的电解液锂电池，面临着燃烧，爆炸等诸多安全隐患。苏黎世联邦理工学院的研究人员，开发了一种完全由固体材料组成的锂离子电池，不含任何液体或者胶体。即使在高温下，这种电池不会引起燃烧，安全性比传统电池更佳。同时，它也带来一种崭新的电池设计形式。
锂离子电池的安全问题
锂离子电池，已成为诸多智能硬件和移动电子设备的能量来源，例如：智能手机，可穿戴设备，平板电脑，电动自行车，电动汽车等等。但是，由于锂离子电池的电解液，为可燃性液体，在高温条件下，可能引起燃烧，甚至发生爆炸。
关于，锂电池的安全事故，特别是引起的爆炸事故，已有很多案例。比如，在生产领域，生产锂电池的工厂发生起火或者爆炸。然而，在消费者领域，案例则更多，特斯拉电动车自燃，小米移动电源爆炸，苹果三星手机充电时爆炸，消费者使用电子烟发生爆炸，联想和尼康由于锂电池问题发生召回。
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(图片来源于：electrek)
传统锂电池燃烧爆炸的主要原因
在传统的锂离子电池，和大多数其他类型的电池中，正负极两个电极，由固态导电的化合物组成，然而这些电极之间的却是液体或者胶体的电解质，电荷在其中移动。如果，充电方式不正确（过量充电），或者放在阳光下暴晒，液体可能会被点燃，胶体则会发生膨胀。由于传统锂电池的电解液为有机液体，在高温下发生副反应，氧化分解，产生气体，发生燃烧的倾向都会加剧，所以引起爆炸。
解决锂电池这些安全隐患，除了在生产设计方面加以改进，提供保护电路和保护解决方案，还有就是使用时注意正确的方法，避免可能引起事故的情况。另外，寻找传统液体电解液锂电池的替代产品，即固态锂电池，也是一个很好的解决方案。
固态电池耐高温不易燃
然而，固态电池却没有这种情况。在固态电池中，所有电极和其间的电解质都由固体物质制成。苏黎世联邦理工学院电化学材料专业教授，这种新型电池开发的领导者Jennifer Rupp，认为：“固体电极，即使被加热到很高温度，或者暴露在空气中，也不会着火。”
固态电池面临的挑战
然而固态电池的开发，面临着许多挑战，其中一个便是：提供连接电极和电解的接口，使得电荷流通时的电阻尽可能小。
研究人员的应对方案
目前，研究人员开发了一种改良的电极和电解质之间的接口。在实验室中，他们构建了一种三明治一样的电池，中间是一层含有锂的化合物（锂石榴石），作为两个电极之间的固态电解质。锂石榴石是一种对于锂离子具有最强导向性的材料。
（图片来源于: Van den Broek J et al., Advanced Energy Materials 2016）
根据 Rupp 研究小组的研究生，研究的其中一位作者，Jan van den Broek 的说法：生产过程中，研究人员确保固态电解质层具有多孔表面，然后以一种粘性的形式应用负极材料，让它可以渗入孔中。
最后，研究人员将电池温度调到100摄氏度。在液体或者胶体电解液中，根本不可能加热到这个温度。由于孔的功能，研究人员显著地扩大了负极和固态电解质之间的接触面积，最终使得电池充电速度更快。
关于这种固态电池优点，Rupp 和其研究小组中之前的科学家，土耳其伊兹密尔技术研究所教授 Semih Afyon，进行了一些评论。
高温条件下性能好
通过这种方法制造的电池，理论上可以在标准的环境温度下工作，但是，在目前的研发状态下，他们最佳的工作温度在95摄氏度以上。这样，锂离子可以在电池中更好的流动。
这种特性，可以用于蓄电池储能发电机。它可以存储过剩能量，然后需要时再释放。如今，很多工业流程都会产生过剩热量，通过将这种蓄电池发电机和工业设施相结合，可以在理想的温度下，将浪费的热能存储到蓄电池中。
新型薄膜电池
由于电解质的“固态”，人们不仅可以在更高的温度下运行电池，还可以构建薄膜电池，直接放置在硅芯片上。这些薄膜电池，厚度小，可弯曲，制造工艺简单，成本更低，效率更高，将彻底改变便携式移动设备的能量存储方式。
此项研究的意义
如今，许多的固态电池研究项目，集中于提高电解质性能。然而，很少有像这项研究这样，制造了“完全固态”的电池，并且使用工业化生产中使用的办法，进行了测试。
在这项研究中，研究人员首次，通过锂石榴石电解质和基于氧化物材料的固态负极，构造了完整的锂离子电池。这样，他们展示了利用锂石榴石，构建整个电池的可行性。
未来展望
固态电池，具有高效能，轻薄且柔性好，安全性好等等优势。Rupp和她的团队，将在未来的研究中进一步构建薄膜电池。
最后，他们将也和保罗谢勒研究所，以及瑞士联邦材料测试和研究实验室，紧密合作。下一步的重要任务，就是进一步提高电极和电解质接口的导电性，对电池性能进行优化。
参考资料
【1】Jan van den Broek et al, Interface-Engineered All-Solid-State Li-Ion Batteries Based on Garnet-Type Fast LiConductors, Advanced Energy Materials (2016).
【2】http://phys.org/news/2016-08-solid-batteries-safety.html
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