去年，馬來(lái)西亞一位CEO在手機(jī)充電時(shí)把手機(jī)放在了床頭，因電池爆炸導(dǎo)致了死亡。

我們知道，現(xiàn)在的手機(jī)、電腦、汽車(chē)一般都用的鋰離子電池。那么，鋰離子電池的安全性真的成問(wèn)題嗎？還敢用嗎？

不吹不黑，鋰離子電池確實(shí)存在安全隱患，但它也確實(shí)是能為生活續(xù)航的好東西。

（不過(guò)充電時(shí)千萬(wàn)不要把手機(jī)放在床邊啊）

作為儲(chǔ)能的電池單元，不論是水溶液體系或非水溶液（有機(jī)）體系，能量的儲(chǔ)存和釋放（電池的充電和放電）都是通過(guò)電池內(nèi)活性物質(zhì)化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，人們最熟悉的恐怕就是鋰離子電池了。鋰離子電池已經(jīng)在世界范圍內(nèi)高度的產(chǎn)業(yè)化并得到了最為廣泛的應(yīng)用。從空間站到“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器，從智能手機(jī)、移動(dòng)基站到電動(dòng)車(chē)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)中的電力儲(chǔ)存，鋰離子電池（系統(tǒng)）都起到了很好的動(dòng)力源的作用。

鋰離子電池技術(shù)的商業(yè)化最先源于索尼公司。20世紀(jì)90年代初，索尼公司采用鋰過(guò)渡金屬層狀氧化物（LiCoO2)作為正極，炭材料作為負(fù)極，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出鋰離子電池。電池充放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極之間穿梭，因此鋰離子電池又稱(chēng)為搖椅電池。

通過(guò)對(duì)鋰離子電池的性能、安全以及成本等因素進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，鋰離子電池也被視為純電動(dòng)車(chē)、混合電動(dòng)汽車(chē)以及插電式混合動(dòng)力車(chē)等電動(dòng)汽車(chē)中新一代動(dòng)力系統(tǒng)的“潛力股”。如今，鋰離子電池的研究主要有如下幾個(gè)方向：一是通過(guò)材料以及設(shè)計(jì)的改善，使電池具有更高的比能量(即單位質(zhì)量或體積的材料具有更高的容量)以及更長(zhǎng)的循環(huán)壽命（對(duì)于電動(dòng)車(chē)意味著同樣的質(zhì)量具有更長(zhǎng)的續(xù)駛里程）；二是對(duì)鋰離子電池安全性的改善。近期的數(shù)次電動(dòng)汽車(chē)起火或者自燃事件將鋰離子電池技術(shù)一次又一次地推到了風(fēng)口浪尖，因此，對(duì)于鋰離子電池安全性的研究就成了一個(gè)迫在眉睫的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著固態(tài)電解質(zhì)材料的進(jìn)步，科學(xué)家認(rèn)為固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池能夠在一定程度上解決鋰離子電池的安全性問(wèn)題。

變身“定時(shí)炸彈”？這要從結(jié)構(gòu)說(shuō)起

鋰離子電池的負(fù)極

鋰離子電池負(fù)極材料按其組分分類(lèi)，可分為碳材料和非碳材料。石墨類(lèi)碳材料包括天然石墨和人造石墨，它們具有良好的層狀結(jié)構(gòu)(層間距為0.3354納米)。鋰離子可從石墨的端面嵌入石墨層中，形成LiC6層間化合物；嵌鋰之后，石墨的層間距離有所增加(LiC6層間距離為0.370納米)。

鋰離子電池在充放電過(guò)程中，負(fù)極進(jìn)行鋰離子的嵌入和脫出；因石墨表面存在較強(qiáng)的還原性能，在首次嵌入鋰離子過(guò)程中，電解液會(huì)在石墨的表面形成一層固體電解質(zhì)界面（SEI)膜，SEI膜的存在極大地減緩電解液在負(fù)極的還原，從而維持電池的電化學(xué)性能，介于該電解質(zhì)界面膜的尺度為納米級(jí)，因此膜的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)對(duì)鋰離子電池的性能有較大的影響。

鋰離子電池的正極

鋰離子電池過(guò)渡金屬氧化物正極材料具有鋰離子嵌入及脫出的一維、二維或三維通道，而本身的骨架結(jié)構(gòu)在鋰嵌入及脫嵌過(guò)程中保持不變。按目前使用的正極材料的結(jié)構(gòu)劃分，主要分為三類(lèi)：層狀結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)、橄欖石結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)（LiCoO2、LiNiO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2等）為二維的鋰離子電池?cái)U(kuò)散通道；尖晶石型結(jié)構(gòu)（LiMn2O4及高電壓的鋰鎳錳氧化物）為三維擴(kuò)散通道；橄欖石型結(jié)構(gòu)（LiFePO4、LiMnPO4及其金屬位摻雜材料等）為一維擴(kuò)散通道。其中，克容量比較高的為富鋰錳基正極材料和鎳鈷鋁酸鋰。不同正極材料也表現(xiàn)出不同的充放電特征。

鋰離子電池的充放電原理

鋰離子電池內(nèi)部包含兩個(gè)電極：正極和負(fù)極，提供了氧化還原反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所；電極由離子導(dǎo)通、電子絕緣的隔膜材料隔開(kāi)；電解液包含鋰鹽（通常為L(zhǎng)iPF6)和有機(jī)溶劑。放電過(guò)程中，鋰在負(fù)極上失電子形成Li+，而Li+在正極上得電子形成鋰，同時(shí)從鋰離子過(guò)渡金屬層狀氧化物物中脫出，充電過(guò)程則相反，得/失的電子通過(guò)外電路進(jìn)行傳遞即形成電流。

誰(shuí)能替代“鋰”

研究人員正試圖尋找可替代鋰的材料，以擺脫高性能電池對(duì)鋰的依賴(lài)。這種材料應(yīng)比鋰更常見(jiàn)也更易獲得，制造出的電池還應(yīng)滿足“充電15秒，通話一星期”。

盡管如同大海撈針，但是人們已有所收獲。研究人員開(kāi)始研制以鎂離子替代鋰離子實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)與輸運(yùn)的鎂離子電池原型。由于鎂離子可攜帶兩個(gè)電子，是鋰離子攜帶電子的兩倍，因此鎂離子電池可以?xún)?chǔ)存更多的電能。但是當(dāng)鎂離子與電子結(jié)合時(shí)，鎂離子就擁有了兩倍的負(fù)電荷，而負(fù)電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強(qiáng)。因此當(dāng)鎂離子攜帶著兩倍的電荷，在充滿電解液的兩極之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度自然慢了很多。這將直接影響電池充放電的時(shí)間，使鎂離子電池的性能不盡如人意。這樣，尋找既能發(fā)揮鎂離子電池全部性能又利于鎂離子定向移動(dòng)的電解液-電極組合方式，成為當(dāng)務(wù)之急。

相比鋰，鎂的開(kāi)采成本較低，同時(shí)利用價(jià)值很大。豐田汽車(chē)公司目前已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)上投入了巨資，而埃隆·馬斯克也曾多次在公開(kāi)場(chǎng)合表示，特斯拉汽車(chē)公司及其超級(jí)電池工廠已經(jīng)做好了擁抱鎂離子電池的準(zhǔn)備：從傳統(tǒng)鋰離子電池到鎂離子電池的轉(zhuǎn)型，電池生產(chǎn)工藝并不會(huì)受到太大影響，工廠只需要更新相應(yīng)的流水線作業(yè)工具，即可輕松造出兩倍能量密度的鎂離子電池。