iPhone 7 也爆炸了?它们正在清除这颗定时炸弹
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iPhone 7 也爆炸了?它们正在清除这颗定时炸弹

让锂电池不爆炸的终极解决方案——固态电池是什么?

三星不哭,苹果也爆炸了。

美国科技博客 BoyGeniusReport 的一篇文章今天凌晨晒出,一部苹果新 iPhone7 似乎也发生了爆炸。昵称为 @kroopthesnoop 的网友在 Reddit 论坛贴出的一张照片,他的黑色 iPhone7 破损严重,屏幕开裂,边框有明显烧焦的痕迹。

苹果的股价周四开盘应声下跌。

此前,三星 Note 7 手机在全球已造成近 40 起爆炸事故。就在 9 月 26 日下午,又一部国行的 Note 7 发生爆炸,这是在中国 Note 7 的第四起爆炸事故了。

a28c058美国佛罗里达州用户那桑·多纳切(Nathan Dornacher)使用的三星 Note 7 爆炸,他之前在车内给 Note7充电。车的方向盘、仪表盘等已经面目全非。

2016 年 9 月 2 日下午,三星电子在韩国召开新闻发布会,移动部门总裁高东真对三星 Note 7 电池爆炸事件进行了公开道歉,宣布因电池缺陷问题,三星将停售 Note 7 手机,并召回 250 万部 Note 7。

三星公司可能就此 “连续爆炸门” 损失近 50 亿美金——作为贡献韩国 GDP 超过五分之一的三星,这一次可真是惊动了国本

六天之后,美国联邦航空管理局(FAA)发表声明,强烈建议乘客 “在飞机内关闭 Note7 电源,不要使用或进行充电”。接着,美国消费品安全委员会(CPSC)又正式呼吁 “请消费者停止使用 Note 7 并关闭电源”。 多米诺骨牌效应开始,多国航空部门连续发出警示,提醒乘客停止使用 Note 7,这里面也包括中国民航。

62BA.tm网民把 Note 7 装扮成 “恐怖分子”,说 Note7 才是 “真正的炸弹”。

据三星自己说,Note 7 是手机锂离子电池的电池芯出了问题。因为制造工艺失误,电池的阴极和阳极相接触,导致电池芯过热从而引发爆炸。

爆炸一次不可怕,连续爆炸才可怕。这不由得让人想起同样由于电池、连续起火的特斯拉。

2015 年年末,特斯拉还忙着统计去年全球交付总量达到 50,580 辆的傲人成绩的时候, 1 月 1 日挪威一辆 Model S 充电时突然起火——所幸车内无人。

由于特斯拉使用的动力电池是三元锂电池,而三元锂电池燃烧时不能直接用水或者二氧化碳扑灭,专用的铜粉水造价太高又不常见,所以当时的挪威消防队员只能用泡沫控制周边火势,直到这辆 Model S 完全烧毁。

86CF.tmModel S 被烧毁画面。

传统锂电池的安全性始终是一柄达摩克利斯之剑,悬在人们的心头。为什么锂电池容易爆炸?我们先看一下锂电池的解剖图:

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普通的锂离子电池由正极、负极、电解质、隔膜组成。锂离子在正负极之间来回“奔跑”,完成充放电的过程。有了电解质,锂离子才能 “奔跑”。正负极之间用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔开,电池的正负极因此避免了直接接触。

安全隐患就在这个隔膜上。一旦高压、过热,隔膜很容易被穿破,导致正负极接触,造成内部短路。据《科技日报》报道,三星为了提升电池的能量密度、延长续航能力,采用了更薄的隔膜材料,所以才会事故频出。

想想看,一辆特斯拉需要使用 7000 多节 18650 型号锂电池,只要其中一节出了问题……

cfe03397000 多节锂电池节电池在特斯拉底盘紧密排布。

只有一个改变才可以彻底解决问题——把液体的电解质换成固体的。

固态电解质能让电池正负极永不接触。即使发生过热情况,固态电解质只是熔化成绝缘体,温度下降后又能恢复成固体,不会分解出气体和多余的热量。

如果一个锂电池,换成固态电解质,它就叫做 “固态电池”。

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人类在固态电池上探索的道路至今已经有六十多年。最先生产出来的固态电池,不是那种厚厚的、或者圆圆的,而是像一层薄膜一样。

第一个报道产出固态电池的是日本人。1982 年,日本 Hitachi 公司首先声明自己产出了厚度小于 10 μm 的固态电池,是一层薄膜。但这块电池的功率太低,无法驱动任何电子设备。

薄膜电池现在有更成熟的产品了。 2008 年,美国的 Infinite Power Solutions (IPS)公司推出了一种全固态薄膜电池。它只有一个指甲盖大小、两张纸厚,15 分钟就能充到 90% 的电量,可充放电 10 万次,使用至少 15 年。由于是全固态,这种薄膜电池可以随意弯折,在 -40℃ 到 85℃ 温度范围、甚至水下一千多米都能安全使用。

2015 年, Infinite Power Solutions 公司被苹果收购,开始研究用于可穿戴设备上的固态电池。可以想象,如果苹果手表用上固态电池,就能解决续航时间以及体积问题了。

这种薄膜形状的固态电池,在微型电子器件市场上应用广泛。世界范围内,有十几家公司拥有薄膜电池的专利,除了上面提到的两家,还有法国 Bellcore、美国 Cymbet、台湾辉能科技、俄罗斯的 GS Nanotech 等。

924e688俄罗斯公司 GS Nanotech 生产的柔性薄膜锂离子电池。

但薄膜电池生产成本实在太高。它需要利用一种叫做气相沉积的技术,所用设备动辄上百万。如果将薄膜电池用到手机上,一台苹果能卖到 100 多万。

另外,因为电极是薄膜,薄膜电池能储存的能量很少,别说电动车了,手机需要的电力都供不上。

更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固态电池。但非薄膜型的电池,目前技术还不是很靠谱。

瓶颈主要有两个:一是固态电解质离子电导率太低,也就是锂离子在固态中“奔跑”得慢,而电池是靠锂离子在正负极间奔跑来实现充放电的,所以这意味着电池充放电慢。二是固电解质和电极接触得没有液态和电极接触好,导致界面电阻太高,这会显著降低电池性能。

在非薄膜型的电池里面,有三种材料可作为电解质:聚合物,硫化物,氧化物。有不少公司说自己在做以聚合物为电解质的电池,但他们做的其实不是聚合物固态电池,而是凝胶电解质,如 Sony 和三星。凝胶的状态介于固态和液态之间,其实根本没有解决安全性的问题,凝胶电池的能量密度也难以提高。所以三星后来索性放弃了凝胶电解质。

其它绝大部分厂商,包括中国新能源科技(ATL),只是在隔膜上涂一层聚合物将隔膜与正负极粘接在一起。话说,ATL 是全球最大的聚合物电池供应商,为三星、苹果、华为、OPPO 等企业供货。

什么时候固态电池才能够进入大规模产业化?

大部分业界的人挺乐观。《日经技术》认为,“ 预计 3 年内能出现性能为现有锂离子电池 2 倍多的产品”。2013 年,美国能源存储联合研究中心(JCESR)则说,“ 5 年内(2018 年)开发出(相比普通锂电池)能量密度达到 5 倍、价格降至 1/5 的蓄电池”。

但科研领域的学者们都偏保守——他们认为 “毕竟研究出产品跟能形成产业是两码事”。2016 年上半年,科学院物理研究所研究员李泓博士说:至少要到 2020 年,中科院物理研究所出产的固态电池 “可能试水到商业化的程度”,而 “真正的全固态可能需要更长时间”。

虽然工业上不可能实现液态到固态的飞越,但这不代表产业界在固态电池领域无计可施。峰瑞资本投资人朱祎舟 说,“我们可以寻找液态到固态的过渡方案。” 例如,从麻省理工孵化出来的锂电池公司 Solid Energy Systems 的电解质,就是既有固态又有液态:先在金属锂电极上覆盖一层固态电解质薄膜,然后加入一种准离子态阻燃液体。制成的电池跟传统电池比体积缩小一半,还能提供更多能量。

“固态电池性能好,成本高,就先瞄准对安全性、稳定性需求高,又不计成本的行业。固态电池的制造过程跟传统电池的不一样,就要充分利用传统电池的生产设备,避免重建整条生产线,从而降低生产成本。” 朱祎舟说。

在大容量固态电池做产业化的这条路上,日本远远走在全世界前列。丰田、日立造船都是固态电池界的领军企业。2009 年,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)启动了 210 亿日元计划,举国之力研究电池,希望能在 2030 年前开发出能量密度为现有水平 5 倍以上的可充电电池。从现在看来,这个时间可能被大大提前。

韩国也不落后,三星在日本也有个固态电池研究所——早点研发出来三星就能换上固态电池了。

日韩之后,依次是欧洲、美国、中国。

法国已经有电动车投入使用固态电池,但他们用的固态电池中间还是有隔膜的,不是真正意义上的全固态,而且目前尚无大规模应用。美国人则只有技术,没有可以量产的产品,这里有创业公司一大把,比如:Seeo, Solid Energy System, Solid Power, Quantume Scape 等等等等。

中国人还处于研究阶段,相关标的有清陶能源、宁德时代新能源科技(CATL)、比亚迪、微宏动力等,研发进度有快有慢。其中,清陶能源位于江苏盱眙,由南策文院士团队组建。同时,南院士拥有中国第一个与全固态有关的专利。

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i黑马盘点了四家开发固态电池的公司,其中法国的 BatScap 虽然有投入使用的产品,但不是真正意义上的全固态电池;其他公司目前还只有技术。

【BatScap】

BatScap 是法国博罗雷(Bollore)的子公司,开发了可以在电动车上使用的固态电池。开发固态电池的 BatScap 是博罗雷在能源领域布局的一个关键。

BatScap 做的是需要加热的聚合物固态电池。因为在常温下聚合物的离子电导率太低,意味着锂离子在电极间奔跑得慢,充放电也就慢。加热后,聚合物的离子电导率才能提高。

2011 年底开始,博罗雷利用自主开发的 EV “Bluecar”,在法国巴黎及郊外提供汽车共享服务 “Autolib”,即抵达目的地后交换车辆。这种汽车用的就是 BatScap 的固态电池, 规格是 30 kWh。目前这种 Bluecar 已有近 4000 辆,有约 900 座服务站和 4500 台充电器,每天利用次数 1.8 万次。

1b8abd6法国的固态电池电动车正在充电。

然而,电池需要加热才能使用是难以大规模推广的。电动车可以利用行驶中产生的热量来维持 60~80 ℃ 的使用温度。但停车时,必须要利用电池组内部的加热器来维持温度,每秒会消耗约 200 W 的电力,跟一个电冰箱差不多。在停车过程中需要一直连接充电器。有人做过估算,平均一年下来,停车时加热器消耗的电力比行驶时所需的电力还多。

不过,据一名固态电池的技术人员透露,BatScap 的聚合物固态电池其实中间也有一层隔膜,根本不是我们所说的全固态。

【Solid Power】

美国 Solid Power 成立于 2012 年,位于美国肯塔基州的路易斯维尔市,在科罗拉多科技中心拥有 650 多平方米的工厂。创始团队有不少来自科罗拉多大学博尔德分校(UCB)的教授与副教授。这些教授背景都十分强,比如仅 Sehee Lee 教授一人就有 18 项相关专利。

Solid Power 拿政府的钱比较多,2013 年获美国能源部资助的 346 万美元,科罗拉多州的经济发展与国际贸易部门(COEDIT)资助的 25 万美元。2014 年底又获美国空军资助 290 万美元。

Solid Power 固态电池的电池能量密度达到了 600 Wh/kg,是市面上电池容量的两倍多。

【Sakti3】

Sakti3 是一位来自美国密歇根大学的教授在 2007 年设立的风险创业公司。Sakti 在梵文中是 “力量” 的意思,3 是锂的原子序数,连起来就是 “锂的力量”。这家公司是用蒸镀的方法制备无机固态电解质,并且宣称已能实现高效率量产。

9f9af76美国密歇根大学教授安·玛莉·赛斯特里(Ann Marie Sastry)是公司的 CEO。

值得一提的是,Sakti3 2015 年获得家电巨擘戴森公司 1500 万美元融资,年底被戴森以 9000 万美元收购。2016 年 9 月,戴森宣布投资 14 亿建立电池厂。

Sakti3 宣布已制造出能量密度达 550 Wh/kg 的电池,这一能量密度要比普通锂离子电池的高大约 50%,电池蓄电量是特斯拉现在使用的锂电池的两倍。Sakti3 对媒体说,他们在其位于密歇根的小型试验场已制造出这种固态电池的原型,预计在两三年内实现商业化。

然而,业内针对 Sakti3 的声音真不少。不少科研人士都认为:“Sakti3 没有产品,只是在炒作固态电池概念”。

【丰田】

2013 年时,丰田宣布,计划在 2020 年全面实现全固态电池商业化,其能量将是锂电池的三到四倍,并在接下来几年使用锂空气电池。

许多日企都非常重视离子导电率。离子导电率高,意味着锂离子在正负极间 “奔跑” 得快,充放电的速度就快。而硫化物电解质在常温下的离子导电率与液态电解质相近,所以有许多日本公司在研究硫化物。丰田就是个代表。

根据丰田 2014 年发布的专利,他们研发的全固态电池,改善固态电解质和电极接触差的问题,用湿涂工艺来制备中间的电解质,让电解质变得很薄,从而减小电池体积。同时丰田放大了电芯尺寸,将电池面积扩大了 50 倍,容量提升了一千倍。

fe8fb05丰田在实验中将固态电池用在电动小车上。

据苹果一名技术人员透露,丰田固态电池产业化很可能不会使用上面说的材料,他们公布这项专利也许只是为了误导产业界。

 

参考文章:

Solid Power 官网:http://www.solidpower.com/en/home/

Sakti3 官网: http://sakti3.com/

《日经技术》:《超越锂电 · 全固体电池一跃十年》

Xu, Xiaoxiong. All-solid-state lithium-ion batteries:State-of-the-art development and perspective[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2(4): 331-341

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