中國儲能網(wǎng)訊：電池的高安全性受到公眾的重視，是件大好事。
鋰離子電池發(fā)生燃燒的起因主要是電池的溫度升高到一定程度后，氧化性的正極活性物質(zhì)分解出氧，與可燃有機物發(fā)生化學反應，在化學反應熱的情況下溫度不斷提升，進而造成“熱失控”，最終發(fā)生燃燒、引起爆炸。從“燃燒三要素”基本原理出發(fā)，溫度-可燃物-助燃劑三者缺一就不會發(fā)生燃燒，所以，提高鋰離子電池安全性要從破解燃燒三要素入手，可有多條通道。
（一）固態(tài)電解質(zhì)
三元正極材料的氧化性強，能提高電池的電壓和比能量，為了追求高比能量，鎳的占比越高越好，但同時也提高了熱失控的危險性。于是，用固態(tài)電解質(zhì)替代由有機溶劑配成的電解液和有機隔膜是安全通道之一，可以穩(wěn)步研發(fā)。
不過，固態(tài)電解質(zhì)電池必需克服的最大難題是，固態(tài)電解質(zhì)與正、負極活性物質(zhì)接觸界面的不穩(wěn)定性。原因很簡單：任何正、負極材料在充放電時，接受鋰離子過程中體積發(fā)生膨脹，釋放鋰離子過程中體積發(fā)生收縮，而與之接觸的固體電解質(zhì)在傳導鋰離子時不會發(fā)生體積的變化。于是，即使電池制作之初固體電解質(zhì)與正、負極活性物質(zhì)接觸很緊密，而當電池一經(jīng)充放電，活性物質(zhì)與固體電解質(zhì)的接觸面必然發(fā)生脫離，電池內(nèi)阻急劇上升，幾次充放電后電池就會失效。
高壓夾板有可能緩解上述問題，但目前還未根本解決，且高壓夾板的重量拖累了比能量急降，有違高比能量的初衷。減少電解液的用量的確減少了可燃物，有人還按照電解液的添加量劃分出準固態(tài)、半固態(tài)的界線；添加同樣昂貴的離子液體也可在更大程度上減輕危險性，但這些措施均未根本排除可燃物。
固態(tài)電解質(zhì)只是鋰離子電池的安全通道之一，并非希望的全部，也絕非有人所說的什么“終極技術(shù)”?！敖K極”，技術(shù)就不再發(fā)展了，有違辯證法！
當然，科學研究往往能使看似不可能的事變?yōu)榭赡?，但這要做艱苦的努力，扎實創(chuàng)新，切實攻關(guān)，認真演示驗證，逐步放大，不可操之過急。還要大幅降低生產(chǎn)成本，使價格達到用戶可接受的水平，這也是一個漫長的過程。
（二）磷酸酯不可燃電解液
國內(nèi)的武漢大學、西南石油大學、上海石化研究院等，國外的韓、美、日，都在研究磷酸酯作為不可燃電解液的溶劑，包括磷酸三烷基酯及其衍生物，已進入產(chǎn)業(yè)化初期。天賜材料通過“鋰鹽-溶劑-添加劑一體化”布局，將磷酸酯電解液成本控制在2.8美元／L，較韓國產(chǎn)品低12.5％；新宙邦則依托10萬噸級溶劑產(chǎn)能，對寧德時代、比亞迪穩(wěn)定供貨。韓國在“氟代磷酸酯分子設計”“高電壓界面調(diào)控”兩大領域的專利數(shù)量分別是中國的2.3倍和1.8倍，三星SDI采用磷酸三（2,2-二氟乙基）酯為主溶劑，搭配LiFSI-LiPO<sub>2</sub>F<sub>2</sub>復合鋰鹽，黏度小，離子電導率和導熱率比磷酸三烷基酯類高出一大截，2025年6月已在韓國天安工廠實現(xiàn)10萬噸級量產(chǎn)，配套供應特斯拉4680電池及現(xiàn)代IONIQ 7車型。
這類電解液除不可燃外，還可耐高電壓；價格雖是碳酸酯類電解液的1.5～2.0倍，卻遠低于固態(tài)電解質(zhì)；而且現(xiàn)有電池生產(chǎn)工裝不必改動，發(fā)展這種電池的代價低很多。將這類電解液加入固態(tài)電池作為固態(tài)電解質(zhì)與活性物質(zhì)之間的“橋連劑”，比用離子液體更安全、更廉價。
磷酸酯電解液與固態(tài)電解質(zhì)同為“不可燃物”，但前者在我國受到的支持力度遠不及后者，公知度也不高。有人擔心我國固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)發(fā)展會落后于日本，因而多方運作獲得政府大力支持，殊不知我國磷酸酯電解液技術(shù)已比韓國慢了半步。希望有關(guān)部門拿出有效政策，帶領學術(shù)界、企業(yè)界共同努力迎頭趕上，加速科學技術(shù)創(chuàng)新進步，解決產(chǎn)業(yè)化中的問題。
（三）不會氧化有機物的高比容量正極
鋰硫電池以硫磺為正極，金屬鋰為負極，被認為是鋰離子電池的“下一代電池”。它具有比能量更高、不需鎳鈷稀缺金屬等優(yōu)點，但有電解液干涸導致壽命太短、電解質(zhì)價格太高、多硫離子穿梭造成充放電效率不高等缺憾。
我們在研究鋰硫電池的過程中，為解決多硫離子穿梭、有機多硫化物也易溶解、電阻高等問題，提出“主鏈導電-側(cè)鏈儲能”有機高分子正極設計思想，用偏氯乙烯為原料，合成出第一個高分子硫化物正極材料-硫化碳炔，理論比容量893mAh/g，實測已到520mAh/g。上海交通大學王久林團隊等研究的硫化聚丙烯腈，實得比容量已逐步提高到700mAh/g以上。這些有機高分子正極的電位在1.9V左右，不含氧，不會氧化電池中的電解液等有機物而發(fā)生熱失控，故而均有本征的高安全性。用硫化聚丙烯腈為正極、石墨為負極的硫鋰離子電池的比能量高于磷酸鐵鋰電池；日本艾德卡公司用金屬鋰為負極的電池比能量已達500Wh/kg，循環(huán)壽命已提高到200次左右?，F(xiàn)在全球每月發(fā)表有關(guān)硫化聚丙烯腈的論文約20篇，正在促進材料性能和電池水平不斷提高。
可以預見，如果得到政府政策進一步的大力支持，使硫化聚丙腈盡快商品化，讓大家“有米下鍋”做電池，這種安全電池的大量應用也就是5年左右的事。
（四）半充半放使用電池
增程式車上裝有發(fā)電機，能適時給電池充電，不用三元和全固態(tài)電池而能達到長續(xù)駛里程。如果使用安全性高的磷酸鐵鋰電池，且控制其始終運行于半充半放狀態(tài)（例如，荷電態(tài)在25％～75％之間），遠離全充全放及過充過放的危險境況，同時再在正極中添加百分之幾的高導電多孔炭，引入雙電層電容儲能機制做成電容性電池，并降低內(nèi)阻，從而減少充放電的發(fā)熱量，就能夠進一步提高安全性和比功率，同時也能夠延長電池壽命。
此外，先進的增程式車上發(fā)電機與電池并聯(lián)，由電池調(diào)節(jié)行駛所需的功率，使發(fā)動機始終運行于最高熱效率點，而且可以簡化動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減輕重量。且電池用量少、車輕，節(jié)能又省錢?，F(xiàn)在發(fā)動機主要燒油，已向燒綠色甲醇、氫氣發(fā)展。這些優(yōu)勢不在今天的安全問題討論范疇，順帶提一句，不詳細論述。
（五）電池浸沒式導熱
將電池的熱量及時傳出，控制電池溫度在不發(fā)生熱失控的范圍內(nèi)，也能破解燃燒三要素的同時并存。我們受世上無數(shù)變壓器長期安全運行的歷史事實啟發(fā)，提出將鋰離子電池浸于變壓器油（或硅油）中的安全方案，申請了專利（現(xiàn)已過期）。
變壓器油耐壓高，自然回流即可導熱、散熱，安全性甚佳（強制流動降溫的效果更好），價格也不高，現(xiàn)已開始用于電動大巴（北京科凌）、基站（江蘇雙登）和電力儲能（北京華能）。當然，油冷系統(tǒng)會增加電源的重量和體積，有損乘用車的里程，是其弱點，但毫不掩蓋其在規(guī)模儲能、家用儲能等其他用處的安全可靠、廉價簡便的優(yōu)勢。
結(jié)語
上述提高鋰離子電池安全性的5條通道中，固態(tài)電解質(zhì)和磷酸酯不可燃電解液是針對燃燒三要素中的“可燃物”；不會氧化有機物的高比容量正極是消除燃燒三要素中的“助燃劑”；半充半放使用電池和電池浸沒式導熱是抑制燃燒三要素中的“溫度”。5條通道都合理，都有價值，做好了都對安全有貢獻。如果交叉組合，效果更佳。另外，科技界還可能提出、開辟出破解燃燒三要素的其他新通道。
為了更快、更好、更省地提高各種使用場合電池的安全性，政策上要做到不偏不倚，兼容并蓄；不驕不躁，科學發(fā)展；不厚不薄，按需扶持；不捧不壓，盡其所能。具體執(zhí)行上要讓難度小、花費少的技術(shù)盡快推廣，發(fā)揮作用；要讓難度大、費用高的技術(shù)從容扎實發(fā)展；要讓更多的科技人員和企業(yè)參與電池安全性多條通道的攻關(guān)。我完全相信，我們中國能夠做到世界上最好。
（作者系中國工程院院士）
