内部短路起火时间不到3秒，王朝阳揭示全固态金属锂电池安全隐患

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在金属锂作为负极的全固态电池开始大规模量产并应用于新能源汽车和能源储存领域前，有一种说法悄然流行起来。
这就是认为全固态电池比传统锂离子电池更安全，因此选择全固态电池的电动汽车起火时冒出的浓烟不一定是害人的二氧化碳，而可能只是“气化”的电池电解液。
不过现在宾州州立大学和日产汽车的两位教授带来了让全固态电池拥护者感到沮丧的研究结果——全固态电池真的比传统锂离子电池安全性更高吗?
然而事实并不能让他们满意。

全固态电池和固体锂离子电池到底有什么区别?传统锂离子电池是由液体电解液和基于石墨负极材料和金属氧化物正极材料的锂离子电池组成的。
这些电解液在常温下具有一定的易挥发性，能够在高温下迅速挥发并产生大量可燃气体，并且这类气体的可燃性以及与大气反应后所产生的可燃气体都比普通的水蒸汽危险许多。
而且在高温下，石墨负极不仅会对可造成储存大量能量的金属态锂进行析出反应，导致可用的负极材料减少，还会对正极中常用的镍钴锰氧化物进行脱锂反应，导致正极材料也被消耗，尽管它的反应速率远比负极析出锂反应慢，但最终仍然会导致电池容量降低，甚至无法释放出储存的所有能量。
这些反应就叫做热失控，是触发电池起火的最主要原因。
而固体锂离子电池能防止这一反应发生并降低挥发性和可燃性，仅靠液体电解液换成固体电解质基本没办法办到，尤其是基于氟化物氧化物等高熔点氯盐的高性能固体氧化物电解质。
在这样的高温下，这类固体电解质都不会熔化并分解，因此至少不会由于电解质分解引发热失控。
全固态电池在此基础上进一步将负极材料从石墨换成金属锂。
这样做是因为金属锂的理论能量密度远超过石墨，根据法拉第定律，相同体积下含有更多锂的金属锂负极能释放出更多能量。

理想情况下，充分利用了金属锂优于石墨的能量密度后，全固态电池的理论能量密度甚至能够超过其他许多类型的新型电池，比如越来越被看好的钠离子电池，因为目前钠离子电池仍然有很多技术障碍尚未攻克。

全固态锂金属电池有着如此巨大的潜力，因此越来越多的公司正在为此全力以赴，许多人认为这种新的电池可能是未来发展方向。
但是前提是这类全固态电池真的安全吗?

全固态电池到底安全不安全?根据宾州大学材料学家王朝阳教授和日产汽车公司的膜工程研究主任大竹千晶之间的一项合作研究，结果令人失望:全固态锂金属电池的起火速度将远超传统锂离子电池。
尽管与装修工作扯上关系似乎没有相关性，但本项研究却是由中国国际科技合作奖获奖获奖科学家的呼吁引发的。
他指出，目前全世界范围内关于全固态锂金属电池技术还没有一部标准专门来评估其安全性，因此无法知道这类新型电池是否真的安全，这样一来就会严重阻碍它们这项重要技术的发展。
因此王朝阳教授和大竹千晶决定合作写一篇论文:
第一步先把全世界关于固体锂金属盐膜样品的数据库收集汇总起来，第二步写论文概述将要建立一个新的标准来专门评估全固态体系中使用锂金属膜样品的气体对反应性。
这样的话，上游材料研究人员就会知道自己在开发各种膜样品时要尽量避免哪些气体反应，从而降低全固态锂金属膜体系对其他气体反应性对全固态锂金属盐膜体系性能及安全性严重要影响。
然而，在论文写作过程中，他们二人发现了一些前人未曾发现的新问题:
以高度可燃性的白色固体金属锂为负极，即使是在全固态体系中，内部短路都可能引发爆炸。
与另外两种体系中的传统液态锂离子电池相比，完整系中将钠作为阳极和其他类库仑反应型体系中的火灾性相比，全固态钠离子体系也不会比全固态锂离子体系危险得更加严重。
要知道，在完整体系中的经典实验中，有一个试验是将原装手机放入冰箱再次升温，然后拿出来放入40℃环境中进行观察，但这也仅仅只是在20分钟后导致了温室效应，没有点燃整个房间。
这样看来，全固态锂金属电池只要将闪存芯片放入其中，然后经受40℃环境20分钟过后就会引发爆炸，但这时情况将以比起源手机更严重许多倍，并且有着即使国家消防队都来不及救援都会迅速蔓延开来的速度转变为大火。
但幸运的是，通过通过重新设计电路，减少短路风险还是可以实现尽量避免上述事件出现的。
但是在无法避免短路发生时，王教授和大竹博士还是认为全固态锂金属膜系统比其他三大类体系中的两种传统体系更危险性更大。
科研成果到底有多厉害?为此，他们二人一起进行了一系列实验，其中之一是在内部短路后观察手机火灾发生速率。
结果表明，全固态锂金属体系所需时间用于达到点燃整个房间所需时间只需1到3秒，这大幅度超过了其他两种类型短路后爆炸用时15分钟甚至1小时的情况。
由于现有防火措施非常慢，所以看起来只有五个选项可以拯救人类:
第一选项是从机器人改成导线更准备或者不去靠近短路手机;
第二个选项是为手机制造一个耐腐蚀的钢合金外壳;
第三个选项是选择不在夏天为手机充电;
第四个选项是对手机进行重新设计，以免设备短路;
第五个选项是使用新发现研究人员设计出新材料本身就具备较低反应性。
最终，所有这些数据都归纳进论文中，并于2023年8月29日被国际能源权威期刊《Energy and Environmental Science》刊载，被全球各大新闻媒体热心报道。
这篇论文正式发表后，人们对其研究报告得出了两个主要结论:
第一结论是， “气化”的全固态锂金属膜不能被当成无害” ，而应该当作“有毒”进行处理;
【内部短路起火时间不到3秒，王朝阳揭示全固态金属锂电池安全隐患】第二结论是， “不修改设计”是一种风险，更改设计是一种遗产，这样以来就能够确保安全而不再焦虑。

内部短路起火时间不到3秒，王朝阳揭示全固态金属锂电池安全隐患

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