随着
锂电池的使用越来越广泛,已经应用在手机、电脑、移动电源、电动车等众多电子产品领域,成为人们生活和娱乐不可或缺的物品。然而,如果使用和处理不当,
锂电池也有可能会造成火灾隐患,甚至威胁到人们的生命和财产安全。今天就跟大家简单讲讲
锂电池着火为什么危险,以及扑灭
锂电池着火应该注意什么。
锂电池着火的主要的风险在于
锂电池由于过热而起火甚至爆燃之后,会引起热失控,因此一旦电池组中的一个电池单元因为过热起火产生了热失控,那么它产生的热量足以造成邻近的电池单元起火产生新的热失控,进而导致整个电池组起火。
因此对于
锂电池起火,扑灭程序分为2步:
1)灭掉
锂电池着火引起的明火。
2)冷却
锂电池避免产生热失控。
对于
锂电池起火,绝对不能使用防火毯等灭火用品尝试压灭火焰,因为这样会导致热量无法散失,加速热失控的发展。
对于
锂电池失火扑灭步骤如下:
1)使用哈龙或水灭火器扑灭明火。
2)紧接着使用水或不含酒精的液体倒在
锂电池上进行充分的冷却。
尤其要注意的是,有的小伙伴可能会以为使用冰块的冷却效果更好!错了,大错特错,一定要记住冷却千万不可以使用冰块,实践证明,使用冰块反而会加剧热失控现象。只能用水或不含酒精的液体来冷却。千万要牢记。
世界上绝大部分的电子设备都可见它的身影。没有它就没有笔记本电脑、智能手机和平板;没有它就没有苹果的重生,没有安卓手机;没有它就没有微信的兴起、没有张小龙、当然也就没有这篇文章。
一、天生丽质
锂元素是在1817年被瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现,贝齐里乌斯将其命名为锂。但是到1855的年本生和马奇森采用电解熔化氯化锂的方法才得到金属锂单质,而工业化制锂是在1893年由根莎提出的。现在仍然采用电解LiCl制取锂,这个方法要消耗大量的电能,每炼一吨锂就耗电高达六、七万度。
锂在它出世后的100多年中,它主要作为一种抗痛风药的成分。在研究登月计划时,美国航空航天航空局(NASA)意识到,鉴于锂的种种性质,
锂电池在理论上是一种高效电池。首先,电池的电压取决于电池两极金属活动性的差异。两极的活动性差异越大,其电池电压就越高。而锂是一种非常活泼金属,因此
锂电池能提供较高的电压。比如
锂电池可以提供3V的电压,而传统的铅蓄电池电压只有2.1V,而碳锌电池只有1.5V。
作为3号元素,锂的相对原子质量只有6.9。这就意味着在进行电化学反应时,金属锂提供1mol电子所需要的金属质量很小。所以尽管金属锂的活泼性在碱金属中是低的,但是在质量相同时,金属锂比其它碱金属能提供更多的电子。此外,作为3号元素,锂元素还有另外一个优点。由于锂离子的核外只有两个电子,因此锂离子的离子半径小,因此锂离子比其他离子在电解液中移动速度更快。离子移动速度快,电化学反应的速率就更快,充放电的电流也就比其它金属快。
根据P=UI,一个电源能够输出的功率等于输出电流与电压的乘积。
锂电池的电压较大,能输出的电流更大,因此
锂电池能输出更高的功率。同时提供同样的电子,金属锂的质量也较轻。这就是NASA认为,
锂电池是一种理论上的高效电池。
金属锂尽管有很多优点,但是制造
锂电池还有很多需要克服的困难。首先,锂属于碱金属元素,能和水以及氧气反应,而且常温下它就能与氮气发生反应。这就导致金属锂的保存、使用或是加工都比其他金属要复杂得多,对环境要求非常高。当然,随着对金属锂和
锂电池研究的深入,科学家们发现更多的一个拦路虎,然后科学家用自己的聪明才智,一个个突破
锂电池的技术障碍。
二、金属
锂电池
在金属
锂电池的研发中,人们首先研发的是金属锂一次性电池。这种电池只能一次性使用、不能充电。利用中学过的铜锌原电池,我们就知道,金属锂一次性电池的负极显然是选择金属锂。因此金属锂一次性电池的开发,就是选择合适的正极材料和电解质。在研发初期,科学家们选择传统正极材料, 即Ag、Cu、Ni的化合物,但是这些电化学性能一直达不到
锂电池的要求。后来人们转向其它种类的正极材料,1970年,日本Sanyo公司利用MnO 2作为正极材料,造出了人类第一块商品
锂电池。1973年松下开始量产 以氟化炭材料作正极的锂原电池。1976年,以碘为正极的锂碘原电池问世。
在金属
锂电池一次电池研究的同时,科学家们就开始研究金属锂的可充电电池。
锂电池的成功极大地激发了人们继续研发可充电电池的热情。1972年,美国埃克森(Exxon)公司采用二硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,开发出世界上第一个金属锂充电电池。这款可充电
锂电池就拥有可深度充放电1000次且每次循环的损失不超过0.05%的优良性能。
但是直到今天为止,金属锂的可充电电池仍然没有商业化生产。其中拦路虎就是充电的安全性问题。当
锂电池充电时,锂电极连接电源的负极,锂离子在锂电极获得电子析出金属锂。在设想的情境下,金属锂应该平铺在锂电极上,当锂电极有坑,金属锂应该优先沉积在坑里面。但是在真实情境下,金属锂沉积时,不仅不会填坑,在突起处反而更加容易沉积。经过多次充放电,原来平整的锂电极就会变得坑坑洼洼。在狭小的
锂电池内,这种不平整可能会造成电池内部短路,引起电池起火或者爆炸。
三、摇椅式电池
为了绕开金属锂沉积的问题,Armand于1980年提出了RCB
锂电池模型。这种电池把金属锂换成锂的嵌合物。嵌合物就是布满二维格子或者三维格子的物质,金属锂 在嵌合物中不是以晶体形态存在,而是以锂离子和电子的形式存在于格子中。 在锂参与反应时,电子转移,锂离子从格子中跑掉,但是嵌合物维持在原地不动。锂离子得到电子时,又和电子一起回到嵌合物的格子中。由于锂离子放在格子里面,结晶问题就不再严重了。 好上加好的是,嵌合物往往对空气等不敏感,因此锂嵌合物大大增加了
锂电池的安全性。
第一个嵌入物质就是我们再熟悉不过石墨。石墨具有层状结构,层间距是0.355nm,而锂离子的离子半径只有0.07nm,所以锂离子很容易插入石墨层中间,形成组成为C₆Li的石墨锂嵌合物。1982年,美国伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,而且锂离子嵌入石墨的过程还非常快速。在充电时,石墨电极得到电子,并接受Li +离子嵌入,生成石墨-锂化合物,反应式为C₆+Li⁺+e¯→C₆Li。放电时,则发生上述过程的逆反应。
这种改进后的
锂电池在充放电时,锂离子在两个电极之间反复游走。在充电时,电流将正极嵌合物中的锂离子赶了出来,这些锂离子经过正极与负极之间的电解液“游”到负极嵌合物中;而放电时,锂离子又从负极嵌合物中经过电解液“游”回正极嵌合物中。这种移动方式类似一个左右摇动的摇椅,因此这种电池被称为“摇椅式电池”(Rocking Chair Battery,缩写为RCB)。在另一方面,由于锂元素在正负极都是以离子(和电子)的方式存在,这种电池又称为锂离子电池。
四、正极和电解质
石墨价格低廉,结构稳定,是十分理想的负极镶嵌材料,那么正极应该采用什么镶嵌材料呢。1970年,M.S.Whittingham发现锂离子可以在层状材料TiS 2可逆的嵌入析出,适合 作为锂离子电池正极。1980年,美国物理学教授John Goodenough找到了新物质的LiCoO 2。这种物质也具有类似石墨的层状结构。1982年,Goodenough进一步发现了具有三维格子的LiMn 2O 4。1996年Goodenough又发现具有橄榄树结构的LiFePO₄,这个物质具有更高的安全性,尤其耐高温,因此曾用于公交充电车的
锂电池中。
日本索尼公司将钴酸锂(正极材料)和石墨(负极材料)结合,使用含有锂盐(如六氟磷酸锂)的有机溶剂作为电解液,在1990年开发出了全新的可充电
锂电池。这种电池在1992年实现商业化生产。这样的电池,工作电压可达到3.7伏以上,索尼公司在并将该技术重新命名为“Li-ion”。目前这个标识可以在很多手机电池或者笔记本电池上找到。高性能,低成本,安全性好,这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎,从而帮助索尼公司一跃成为行业老大。
一般的电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。电解质也是锂离子的关键技术之一。1958年,哈里斯(Harris)考虑到锂会与水以及空气发生反应,提出了采用有机电解质作为金属
锂电池的电解质。这一构想一直左右了锂离子电池的发展。但是液态电解液可能会发生泄漏问题,因此存在一定的安全隐患,用高分子材料取代传统电解质,可以提高电池的安全性。问题的关键在于找到能传递锂离子的聚合物。1975年Feullade和Perche又发现PEO,PAN,PVDF等聚合物的碱金属盐配合物具有离子导电性。1978年,法国的Armadnd博士预言这类材料可以用作
储能电池的电解质,提出电池用固体电解质的设想。1995年,日本索尼公司发明了聚合物
锂电池,电解质是凝胶的聚合物。1999年,聚合物锂离子电池实现商品化。
六、
锂电池的未来
我们距离
锂电池正式大规模商用才不到 30 年,目前流行的
锂电池属于锂离子电池。有统计显示,锂离子电池的性能和价格演进速度正在放慢。
锂电池的发展,目前有两个路线,即提高
锂电池的安全性,二是提高
锂电池的效率。
目前,
锂电池仍然存在着一些安全问题,比如部分手机厂商于对隔膜材料质量控制不严或者工艺缺陷,导致隔膜局部变薄,不能有效隔离正极与负极,从而造成了电池的安全问题。其次
锂电池在充电过程中很容易发生短路情况。虽然,现在大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路,还有防爆线,但很多情况下,这个保护电路在各种情况下不一定会起作用,防爆线能起的作用也很有限。因此,如何提高
锂电池的安全性,是一个继续值得研究的问题。
锂金属电池近几年又成为研究焦点。这是因为,锂嵌合物虽然解决了树枝状结晶等安全问题,但是由于嵌合物不具有得失电子的功能,因此电池容量大大降低。比如电池的金属锂负极的比容量是石墨锂化合物C₆Li 负极的11倍以上。如果锂金属充电电池能够研发成功,我们的电子设备会更加轻盈,电动汽车则会跑得更远。