锂电池的发生起火爆炸主要是由于什么？固态锂电池能不能解决锂离子电池中的安全性和能量密度的问题？
来源：宝鄂实业
2019-05-12 21:17
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能源危机，新能源，新能源汽车，一个个新时代的词语迸发出来。
事实上，智能电气时代真正的到来就那么的不经意。如同私人电脑随着window不停的推广开来的时代一样，锂电池出现在日本泡沫商业时代的后期--Sony公司。它的推广和出现，摧毁了如日中天的镍氢电池。如同燃料电池和锂离子电池现在的对立，当年镍氢电池也是H+作为载流子和锂离子电池以Li+作为载流子相互抗衡。然而能量密度的差距在消费类电子中，给镍氢电池留下的仅仅是安全的优点作为遮羞布。锂离子电池霸占了3C类电子,如同铅酸电池霸占了低端电子市场。锂离子电池又想进入动力电池领域，想取代内燃机作为交通工具的心脏。然而，对安全性和能量密度极高的要求，电动车不断地碰壁。“锂离子电池的新能源车，不吹不黑，能不能大规模应用？”的问题困扰着不只是消费者和企业家，还有科研人员。所以，固态锂电池应运而生。但是固态锂电池能不能行？能不能解决锂离子电池中的安全性和能量密度的问题？固态锂电池能不能商业化？本文将带大家领略电池的新纪元--固态锂电池。
作为电动汽车的心脏，锂离子电池工作的基本原理一直没有变化。随着充放电的不断进行，锂离子在正负极之间来回摇摆。这种来回的摇摆，又被成为摇椅式电池。该电池的发明要归功于日本sony公司的几个大牛（石墨负极）以及goodenough先生（LiCoO2正极）。
但是随着正极材料的不断研发，LiFePO4，LiMn2O4, LiNixCoyMn1-x-y(三元)，LiNiCoAl(NCA)等不断的涌现出来。比亚迪就是以LiFePO4起家的；国内现在还有很多生产LiMn2O4的材料厂家；三元材料在当升科技手中产量领先。如今，光电池厂以ATL，CATL，比亚迪，合肥国轩为领头的就超过300家，锂电池行业已经进入红海拼杀阶段。所以谁先找到材料技术的突破点，谁就独占鳌头，躺赢10年。所以固态锂电池的出现，给了好多有志于锂电行业人士弯道超车的机会。
固态锂电池主要是指以固态电解质为主的锂电池。根据电解质的状态有分为全固态锂电池，和准固态锂电池。根据负极材料的种类不同也可分为固态锂离子电池，和固态锂金属电池。
固态锂电池的基本原理与锂离子电池一样，只是本为液态的电解质和塑料隔膜全换成或者部分换成固态电解质。
固态锂电池的优点主要有安全性能要高于液态电解质的电池，主要是因为锂电池的发生起火爆炸主要是由于正负极因为种种原因短接发生的热失控现象。而固态电解质由于自身的高强度，避免了正负极短路，从而提升电池的安全性能。（但是这些话是科研人员自己说的，是不是真的，还需要大量的实验和实例去证明）
固态电池还有一个比较重要的优点就是高能量密度，其高能量密度主要因为固态电解质可以使整个电池体系做得非常的紧凑。
所以固态锂电池形成了下一个风口。
有人说过站在风口，谁都可以飞，包括猪。
作为起飞元年，2019年（快到了），让我们看看有哪些想要飞的人（公司）。几家车企（Toyota, BMW, BYD）,几家新企（qingtao, Yidao）想飞。
但是专利数量上的飙升说明国内对固态电池的应用前景有所看好。并且以国内人员的想法，一定是国外人掌握的技术，我们中国人不一定能掌握，但是中国人自己能掌握的技术，我们一定也能。大家一起上。
所以我认为锂电池的新纪元将要开启--固态锂电池。
实际上液态锂电池的制备工艺不难，制备条件不高。
君不见深圳捣毁小型制备锂电池窝点，搜到电池20万枚。。。
简单介绍一下，液态锂电池（18650电池）的制备工艺（跟瓦匠的活基本一样）：将买的正/负极材料（就是黑黑的粉末）按比例与胶，炭黑像混水泥一样在其他溶剂中混好，拿涂布机（瓦刀）将匀浆分别涂在铜箔或者铝箔上，烘干。将正负极片，夹着隔膜，对好，留出极耳，卷起来，放到壳子里。注入电解液，封口，充电就能用了。
但是固态电池将会更为简单。直接压好就行了。
但是为何ATL(CATL)能做成电池制造商的老大。那就是工艺对性能影响的原因了。
为何固态电池现在才研究出来，有商业化的公司呢？
主要是固态电解质的离子电导率不行。液态电解质的锂离子电导率为10^-2/10^-3 S/cm，固态电解质的离子电导率最好的才能到10^-3 S/cm。这还是实验室的水平。
或者换种思路-比如加点电解液，这就是全固态电池与准固态电池的区别了。
现在能够做的非常不错的就是这种准固态电池。
准固态电池很快将会与大家见面--名称也会挂上固态电池的大名。
1寿命长
二次电池寿命，包括循环寿命和日历寿命两个指标。循环寿命是指电池经历了厂家承诺的循环次数后，剩余容量仍然大于等于80%。日历寿命是指无论使用与否，在厂家承诺的时间段内，其剩余容量不得小于80%。
寿命，是动力电池的关键性指标之一，一方面，更换电池这个大动作确实麻烦且用户体验不好；另一方面，根本上，寿命是成本问题。
有这样一个概念“全生命周期度电成本”，动力电池总电量乘以循环次数得到电池全生命周期可以利用的电量总和，用电池包总体价格除以这个总和，得到全生命周期内每度电的价格。
我们平时所说的电池价格，比如1500元/kWh，都只是按照新电芯的总能量去计价，其实，全生命周期度电成本，才是终端客户的直接利益所在。最直观的结果就是，同样的价格买到同样电量的两个电池包，一个充放50次就到了寿命终点，另一个充放了100次还能再用。这两个电池包，那个便宜哪个贵就一目了然了。
2成本低
电池本身每度电的价格低，是最直观的成本。加上前面所说，对用户来说，成本是否真的低，还要看“全生命周期度电成本”。
除了上面的两种成本，电池的维护成本也需要考虑。针对电芯本身的维护，主要指手动均衡。BMS自带的均衡功能受限于自身设计均衡电流的大小，可能无法实现电芯之间的理想均衡，随着时间的积累，电池组中就会出现压差过大问题。遇到此类情形，只得进行手动均衡，对电压过低的电芯单独充电。这种情形出现的频率越低，则维护成本越低。
3 能量密度高/功率密度高
能量密度，指单位重量或者单位体积内包含的能量；功率密度是指单位重量或者体积对应的最大放电功率的数值。在道路车辆有限的空间内，只有通过提高密度才能有效提高总体能量和总体功率。加之，当前的国家补贴，把能量密度和功率密度作为衡量补贴档次的门槛，更加强化了密度的重要性。
但能量密度与安全性之间，存在着一定的矛盾关系，随着能量密度的提高，安全性总会面临更新更艰巨的挑战。
4 库伦效率高
锂电池放电过程中放出的能量与此次放电之前电池从0开始充入电池的能量之比，叫做库伦效率。效率的高低，主要与电池内阻大小有关。相对于其他类型的可充电电池，锂电池的充放电效率比较高，一般都在98%以上，因此，这个参数往往不被过多提及。
5 电压高
由于负极材料基本都采用石墨电极，锂电池的电压主要的由正极材料的材料特性决定，磷酸铁锂电压上限3.6V，三元锂和锰酸锂电池最高电压4.2V左右。研发高电压电芯，是锂电池提高能量密度的一条技术路线。提高电芯输出电压，需要电势高的正极材料，电势低的负极材料和稳定电压高的电解液。
6 高温性能好
锂电池高温性能良好，指电芯处在较高的温度环境中，电池正负极材料，隔膜和电解液还能够保持良好的稳定性，在高温下能够正常工作，寿命不会加速衰减，高温不容易引起热失控事故。
锂电池的安全风险，很大程度上来自于高温。一般锂电池的最高工作温度在50℃左右，特别的可以达到60℃。负极表面的SEI膜在90℃左右就可以开始溶解，使得电芯进入自生热阶段。自生热带来额外的温升，如果不及时制止，就会有热失控的危险出现。
7 低温性能好
锂电池低温性能好，指低温下，电池内部的锂离子和电极材料还都保持较高活性，剩余容量高，放电能力衰减少，允许充电倍率大。
随着温度的下降，锂电池剩余容量衰减成加速形势。温度越低，容量衰减越快。低温下强行充电的危害极大，非常容易引起热失控事故。低温下锂离子和电极活性物质活力下降，锂离子嵌入负极材料内部的速率严重下降。外加电源以超过电池允许的功率充电时，大量锂离子堆积在负极周围，来不及嵌入电极的锂离子得电子后直接沉积在电极表面，形成锂单质结晶。枝晶生长，直接穿透隔膜，刺向正极。引发正负极短路，进而导致热失控的发生。锂单质性质活泼，在180℃左右就可以剧烈反应，无疑是热失控的助推剂。
8 一致性好
一致性，指应用于同一个电池包的电芯，容量、开路电压、内阻、自放电等参数极差小，性能近似。自身具有优异性能的电芯单体，如果一致性不好，成组后，往往其优异性都被抹平。有研究表明，成组后电池组容量由最小容量电芯决定，电池包寿命小于寿命最短电芯寿命。
9 安全性好
锂电池的安全性，既包括内部材质的稳定性，又包括电芯安全辅助措施的有效性。内部材质安全性指正负极材料、隔膜和电解液，热稳定性好，电解液与电极材料相容性好，电解液自身阻燃性好。安全辅助措施，指电芯的安全阀设计，熔断器设计，温度敏感电阻设计，灵敏度适当，单个电芯故障后，可以防止故障蔓延起到隔离作用。
10设计友好，方便组装
锂电池能量密度高，为了防止单点能量过高，电池单体普遍能量较小。应用于电动汽车的电池，需要把大量电芯组织起来，连接成一个整体使用。单体电芯经过焊接、压接等各种手段，形成模组，模组再经过高压导线连接，形成电池包。这个过程中，单体电芯是否易于焊接，是否为压接设计了连接接口，是否方便热管理系统对每个电池单体发挥作用，都会影响成组设计的简洁性和成组效率的高低。有的电芯单体密度高，但形状不友好，加工成电池包以后，能量密度只有单体的一半。电芯单体的连接特性不好，就会白白浪费了电芯的能量密度。
