“梦想”飞机亟需”梦幻”电池

作为一款“划时代”的产品,首次使用大型锂离子电池和全电系统是波音787型“梦想”飞机为力行节油而采取的一个重要创新。然所谓成也萧何,败也萧何,最近787飞机却因接连发生严重的锂离子电池故障被迫全球停飞,飞机上安全使用锂离子电池仍任重而道远。

锂离子电池所具有的能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点是驱使波音追寻硅谷和底特律的步伐,用其替代镍镉电池的根本原因。尴尬的是,锂离子电池的危险与其受青睐的原因如出一辙,其短暂的历史却交织着各种安全问题——手机、笔记本电脑以及电动汽车都曾出现过锂离子电池引发的火灾甚至爆炸事故,安全问题是制约锂离子电池向大型化、高能化方向发展的瓶颈。

虽然目前仍不清楚此次787客机锂离子电池起火的具体原因,但初步调查发现787的电池有液体泄漏,电池已经烧焦膨胀,飞机上的黑色污迹也说明,发现问题之前,内部就有烟了。出问题的可能是电池的基本设计、充电装置或者是其它未被发现的生产缺陷,更有可能与特别容易热失控而导致起火的电池化学成分有关。

图片来源:http://www.guancha.cn/Science/2013_01_21_122192.shtml

锂离子电池的安全问题主要源于热失控的发生,电极/有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。处于充电态的电池正极材料为强氧化性化合物,很不稳定,容易分解并放出氧气,放出的氧气与易燃的有机电解液发生反应产生大量热量,如来不及散逸,将导致电池的温度升高,引起更多的反应发生并最终导致热失控。

通过提高电池材料热稳定性来抑制热失控的发生,使用安全型高的电解质体系来避免电池的燃烧和爆炸,是提高锂离子电池的安全性的效途径。根据GS Yuasa的网站资料,用于波音787的电池正极使用了钴酸锂,这种材料因高能量密度而著称,但其受热或过充时容易释放出氧气,安全性差,而且这些材料对电解液的反应有一定的催化效应。相比较而言,具有聚阴离子结构的正极材料,因其中的氧原子非常稳定,受热不易释放,因而不易引起电解液的剧烈反应或燃烧。在电解液中添加阻燃剂,使用不挥发、不燃烧的离子液体为溶剂,特别是使用固体电解质代替有机液态电解质,均有望改善漏液、着火、爆炸等安全隐患。

与锂离子电池相反, 锂-空气电池是开放体系,可及时有效释放电池在滥用情况下产生的大量热量,而避免热量积累引起的温度迅速升高,抑制热失控过程的发生。具有比现有锂离子电池高出1~2个数量级理论比能量的锂-空气电池,是最能够取代汽油的电池种类,已成为二次电池的明日之星,引进了世界范围内的研究和开发热潮。