利用隔膜自然切斷電路
圖5：隔膜的表面
通過(guò)SEM觀察，隔膜表面分布著許多微孔。微孔內(nèi)存留有電解液，形成電極間離子導(dǎo)電的通道。
隔膜也在LIB的安全對(duì)策中扮演著重要角色。隔膜通常使用聚乙烯（PE）微孔膜。從PE隔膜表面的SEM照片來(lái)看，直徑為亞微米等級(jí)的PE原纖維（比纖維還細(xì)的叫作“原纖維”）形成了類似于無(wú)紡布的薄墊，上面也有許多亞微米等級(jí)的微孔（圖5）。
充放電時(shí)Li+（鋰離子）會(huì)穿過(guò)微孔，在正負(fù)極之間移動(dòng)。當(dāng)電池溫度因誤操作等原因異常升高時(shí)，根據(jù)分子量的不同，PE會(huì)在120～130℃的溫度下熔化，堵塞微孔。從而使鋰離子無(wú)法移動(dòng)，斷開(kāi)充電或放電電流。這種現(xiàn)象叫作“隔膜切斷”。
理論雖然如此，實(shí)際卻沒(méi)有這么順利。比如說(shuō)，個(gè)人電腦電源等采用的直徑18mm×65mm的“18650”電池使用面積約為350～400cm2的兩片隔膜。面積如此之大的隔膜很難整片同時(shí)切斷。同時(shí)切斷意味著要讓具有相當(dāng)大范圍軟化點(diǎn)的PE在達(dá)到某一特定溫度后，所有區(qū)域同時(shí)軟化。
而且，如果單是局部軟化，反而會(huì)令問(wèn)題變得嚴(yán)重。發(fā)生局部軟化時(shí)，鋰離子會(huì)集中從微孔沒(méi)有封閉的部分穿過(guò)，在該部位形成大電流。而且，軟化的PE強(qiáng)度低，很容易破裂（叫作“擊穿”），甚至?xí)?dǎo)致正負(fù)極“直接短路”，非常危險(xiǎn)。
靠朋友解決了問(wèn)題
既然如此，要怎么解決呢？答案其實(shí)很簡(jiǎn)單：采用結(jié)晶性聚合物作為隔膜。結(jié)晶性聚合物沒(méi)有模糊不清的軟化點(diǎn)，取而代之的是明確的熔化溫度，也就是熔點(diǎn)。利用特殊溶劑將分子量極大的PE（超高分子量PE）制成凝膠，沿垂直的兩個(gè)方向拉伸凝膠膜（雙向拉伸），即可得到合適的薄膜（微孔膜）。這種薄膜由高結(jié)晶性的原纖維構(gòu)成，具有明確的熔點(diǎn)（例如130℃左右）。另一個(gè)好處是，超高分子量PE的熔體黏度極大，而且?guī)缀鯖](méi)有流動(dòng)性，因此，擊穿溫度可以比切斷溫度高出幾十℃。
我們?yōu)榱苏业骄邆溥@種特性的隔膜，進(jìn)行了各種各樣的試制，但一直沒(méi)有得到好的結(jié)果。最終，還是靠一位朋友解決了問(wèn)題。1991年12月25日，就在研發(fā)人員束手無(wú)策的時(shí)候，我們拿到了似乎可行的隔膜。這簡(jiǎn)直就是圣誕老人送來(lái)的圣誕禮物，這位“圣誕老人”就是筆者高中時(shí)代的同學(xué)半澤進(jìn)。
筆者與半澤在北海道札幌市的一所高中同窗三年。1991年的時(shí)候，他擔(dān)任制造隔膜的東燃化學(xué)公司的董事。之后的進(jìn)展十分順利。半澤帶來(lái)的隔膜雖然也有不足之處，但我們一起努力，優(yōu)化了拉伸強(qiáng)度、厚度、孔徑分布、多孔度、透氣度等性質(zhì)，最終達(dá)到了可投入實(shí)用的水平。
利用PTC元件避免切斷
機(jī)械連接和隔膜一旦啟動(dòng)，電池就將報(bào)廢。因此，我們還為L(zhǎng)IB加入了一個(gè)可逆的安全裝置，就是PTC元件。PTC是Positive Temperature Coefficient（正溫度系數(shù)）的縮寫，具備正溫度梯度，由碳顆粒在聚合物基體中分散形成。在常溫下，碳顆粒相互接觸，元件的電阻低。隨著電池溫度升高，聚合物基體將發(fā)生膨脹，碳顆粒之間的接觸減少。這會(huì)使元件的電阻增大，從而切斷充放電電流，此時(shí)的溫度叫作“跳閘”溫度。PTC元件夾在引線斷路器與正極蓋之間。溫度降低后，元件的電阻恢復(fù)原狀，因此，可以把PTC元件看作是可逆的溫度開(kāi)關(guān)。
如上所述，隔膜的切斷溫度約為130℃。只要把PTC元件的跳閘溫度設(shè)置為低于這個(gè)溫度，例如100～110℃，當(dāng)出現(xiàn)異常升溫時(shí)，可逆開(kāi)關(guān)PTC元件將首先啟動(dòng)。這樣一來(lái)，就能避免隔膜切斷導(dǎo)致電池永久報(bào)廢。
但這里要提醒大家，有看法認(rèn)為，可逆的溫度開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致LIB在沒(méi)有找到異常發(fā)熱真正原因的情況下就重新投入使用，反而有可能造成危險(xiǎn)。
安全機(jī)構(gòu)的最后一道堡壘是保護(hù)電路，也就是BMU（battery management unit）。BMU屬于電子電路，可以附加豐富的功能。其基本作用是通過(guò)監(jiān)控電池的狀態(tài)，預(yù)防過(guò)充電、過(guò)放電等故障。
而且，除了安全機(jī)構(gòu)，我們還設(shè)置了嚴(yán)格的供貨前檢查。要進(jìn)行各種測(cè)試，只有合格的批次才能出廠。舉例來(lái)說(shuō)，在穿釘測(cè)試中，釘子將貫穿整塊電池；擠壓測(cè)試中會(huì)用垂直于電池的鋼棒將電池壓扁到直徑的約1/4，出現(xiàn)起火或冒煙即為不合格。關(guān)于穿釘測(cè)試，由于釘子的粗細(xì)、插入的速度和插入的電池部位會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果，因此測(cè)試是在最嚴(yán)苛的條件下進(jìn)行的。
綜上所述，我們?yōu)長(zhǎng)IB采取了多重安全對(duì)策，并且實(shí)施多項(xiàng)嚴(yán)格測(cè)試，只供應(yīng)合格的批次。盡管如此，LIB的事故還在發(fā)生。
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