Zhengming（John）ZHANG（張正銘）：

 

我的題目是講鋰離子電話的安全性，鋰離子的電池安全性我到處都在講，這次我想把它縮短到最小一部分，想花更多的時間來談?wù)?a href="http://www.zpxdjx.com/news/list-htm-catid-542.html">陶瓷涂覆和隔膜。

 

首先，謝謝我的組織，我的組織有很多的人，很多的單位，我就一并謝了。

 

我們大家知道鋰離子電池的挑戰(zhàn)有很多，首先一個是安全性，如果電池不安全的話做電動汽車和做手機都不行，所以安全性很重要。第二是能量密度、長壽命以及大功率。我研究電池的內(nèi)部短路的原因，主要是由于前段時間曾經(jīng)出了很多安全性事情，特別是對于美國而言，已經(jīng)上升到國家安全的層面。我有幸去受邀研究電池為什么會出現(xiàn)安全問題，比如導(dǎo)致核潛艇、航母和飛機不能上天。當(dāng)我承擔(dān)了這個任務(wù)后就組織了一個大的團隊，專門去研究這個問題。這其中最重要的思路就是如何去解決。我講的鋰離子電池的安全性是一個很廣泛的詞語，鋰離子電池的安全性包含了一個很大的范疇，所以在這里面我僅僅就講一部分，比如說對于鋰離子電池的安全方面該選擇什么材料，我要談的，就是內(nèi)部短路。起碼90%的各種各樣的安全性問題，都是由內(nèi)部短路造成的。我總結(jié)下來有八種內(nèi)部短路。

 

首先就是內(nèi)部短路，所謂的內(nèi)部短路是內(nèi)部的電子短路，不是離子短路。電子一流動就產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，短路的地方肯定會產(chǎn)生熱，而這些熱量可以通過多種形式傳遞。我的團隊經(jīng)過精確計算，發(fā)現(xiàn)可怕的是熱的傳感，即在電池內(nèi)部的傳感，大面積的化學(xué)反應(yīng)后就是熱失控。有了這樣的思路之后就要解決這個問題，因此我就把這個問題分成八小節(jié)去研究。

 

第一，首先理解系統(tǒng)。這是一個多種體系，電路是怎么短路的，化學(xué)反應(yīng)和熱的反應(yīng)是怎么回事，因此我們有很多小組去研究這些工作。先講講電子和電阻，我們前面都聽到大家講說增加何種添加劑，如何能把電池電阻力做小，實際上遠沒有那么簡單。我們將一個裝置放在干燥箱里面，用銅來取代鋁，并使用經(jīng)過化成、循環(huán)的電極進行檢測，有的是經(jīng)過循環(huán)10次，有的是經(jīng)過循環(huán)100次，在這些情況下去測電子的變化。因為經(jīng)過化成以后電子會形成反彈，我們應(yīng)該去測量的是電子的導(dǎo)電性能。

 

簡單的講，通過測試我們看到裝置里的電子降低了，這種短路電子的電阻極是在變化的。我們把陰極和陽極滿充電放在一起，內(nèi)部短路馬上會帶來大量的電化學(xué)反應(yīng)，我們通過增加銅片，把電化學(xué)堵住。如果是陰極和陽極的短路電阻值就應(yīng)該很大。我們得出的結(jié)論是，在兩種最極端的情況，短路電阻也就是說陰極和陽極之間活性物質(zhì)的短路，比如說隔膜破了，這種短路并不可怕。因為所有的鋰離子物質(zhì)當(dāng)中都有短路，這種短路其結(jié)果就在隔膜紙上出現(xiàn)一個黑點，如果是在1.5～2hm平方的面積上，在上面只有240mA，對安全性來說不會產(chǎn)生問題。設(shè)計電池是一定要避免這種類型的短路，但這種類型的短路不可怕，尤其是對消費類電池的電子來說不可怕。

 

實驗證明，陰極陽極之間的短路無論電池大小都沒危險。實驗人員模擬了一個簡單的化學(xué)電源，并在電池內(nèi)部增加一個短路電阻。如果在短路點上產(chǎn)生的熱量很小，那影響就很小。我們今天講所謂的熱失控，是在很短的時間里面有大量的能量放出來，我們最關(guān)心的是功率能達到的最高值是多少。這是需要用科學(xué)的方法，科學(xué)的態(tài)度去對待的問題。

 

電化學(xué)的過程，是一個復(fù)雜的過程，其中電解液也很重要。簡單來說，電解液會隨著時間一直變化，隨著循環(huán)的過程也一直在變化。我們通過一個電化學(xué)模型來理解這個過程。通過將熱模型、化學(xué)反應(yīng)模型、以及140多種反應(yīng)結(jié)合起來，可以模擬這一過程。內(nèi)部短路只有在短路點上溫度才高，其他的都沒什么關(guān)系。這種很危險，很容易起火爆炸。我們的團隊通過熱成像方法測量短路的最高溫度，使得實驗非常成功。

 

最危險的短路是鋁箔和陽極表面的短路，它的熱量從產(chǎn)生到最高時間很短，大約是2～3毫秒之間，如果這個電池恰好在1.3～1.5Ah以上就一定會出問題。小的短路線是銅箔和鋁箔，但這個體系在短路點上沒有達到最大的功率，所以安全性方面問題不大。經(jīng)過鋁箔和銅箔的短路，隨著時間的增長，如果是小容量電池到能量就沒有了，大容量電池到能量還會延續(xù)下去，也會產(chǎn)生問題。所以就大電池而言銅箔和鋁箔的短路也會造成一些麻煩。

 

這里要強調(diào)的是不能用熱電流去測溫度，用熱電流去測出來的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。同時，碳的熱傳導(dǎo)非?？?，在任何一種陰極材料上它的導(dǎo)熱都非常慢的，所以我們得出結(jié)論，無論是哪一種陰極，它自己都不會有產(chǎn)生大量熱量的危險反應(yīng)，而負(fù)極往往是最重要的。結(jié)論是，開始是內(nèi)部短路，熱量可以傳到到負(fù)極上去，然后在負(fù)極上的結(jié)果是產(chǎn)生大量的熱，這將使電池馬上開始冒白煙，所謂的冒白煙就是負(fù)極和電解液進行反應(yīng)，還原產(chǎn)物就是白煙，這也會產(chǎn)生大量的熱。如果溫度很高，且陰極里面有氧和三元系，就等于火上澆油，最后電池將會爆炸。如果這個時候能見到火焰，同時也見到白煙，那就說明陰極參與了反應(yīng)。如果用離子氧做陰極，一般來說看不到火焰和白煙，但此時不能暴露到空氣中，因為空氣中的氧氣也會使這個電池產(chǎn)生火焰。

 

在整個過程當(dāng)中，無論在陰極上涂還是在陽極上涂陶瓷涂覆，都會對電極來講是有很多的好處，當(dāng)然最好是在隔膜上涂，因為這對于電池的安全性大有幫助。這里簡單的講一下陶瓷涂覆在隔膜上有哪些好處。

 

第一，能量密度可以增加，沒有陶瓷涂覆隔膜電壓就不可能升高到4.3、4.45伏。第二，安全性改善，因為陶瓷涂覆可以成為導(dǎo)熱的主網(wǎng)層，同時使得陶瓷本身陰極和陽極可以隔開。還有增加了陶瓷涂覆之后可以增加循環(huán)壽命。第一，涂了陶瓷以后電解液很容易被吸附在里面，因此極化就很小，一般好的陶瓷隔膜可以大大的增加電池的循環(huán)壽命。第二，陶瓷如果涂覆在陰極或陽極上就是一種負(fù)擔(dān)，因為陰極、陽極經(jīng)過壓實之后上面再去涂一層屬于畫蛇添足。陶瓷涂覆能夠把在附近氧化的產(chǎn)物吸收掉。黏結(jié)劑有兩種趨勢，一種是黏結(jié)劑越來越少，如果黏結(jié)劑越來越多，這個電池就需要很強的機械強度。

 

我推薦的方法就是要真實的去測量一下庫容效率，99.9%不好，99.99%也不是很好，應(yīng)該是99.9999%。另外可以測體積，經(jīng)常測出來的氣體都是氫氣而不是二氧化碳。在陰極上被氧化測出來的東西應(yīng)該是二氧化碳，但其實都是氫氣，原因是什么？氧化反應(yīng)后產(chǎn)生大量的氫氣。可以看出，如果沒有涂覆的隔膜安全性很小，有涂覆的安全性就大一些。涂覆可以兩面涂陶瓷，可以單面涂陶瓷，可以少量的黏結(jié)劑涂陶瓷，也可以大量的黏結(jié)劑涂陶瓷。

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