去年年底，三星公司的Galaxy Note 7爆炸消息頻發，國內外的各大航空公司也紛紛禁止攜帶Galaxy Note 7乘機。此次三星因為Note 7大規模召回直接經濟損失可能高達20億美元，間接品牌價值損失不可估量。一時之間，鋰電池的安全問題再次引起了人們的高度關注。其實，鋰電池自從問世以來，已經爆炸過多次。2006年，安裝索尼生產鋰電池的筆記本電腦（例如戴爾）有過熱起火的隱患，索尼耗費4億美元召回了近1000萬個電池，成為IT界年度丑聞之首。2013年，美國波音公司制造的波音787客機“夢幻”客機由于鋰電池容易過熱被迫暫停飛行，類似事件都給鋰離子電池的安全問題敲響了警鐘。要揭開鋰電池起火乃至爆炸的原因，還得從鋰電池的發展過程說起。 

　　早在1958年，由于具有很高的能量密度，鋰被用于電池中。鋰一次電池（也叫鋰原電池，一次性使用）于1970年進入商業領域。由于這種電池不環保且浪費資源，上世紀60年代，人們已經開始研究可以反復使用的鋰二次電池。鋰二次電池研發經歷了金屬鋰二次電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池三個階段。 

　　1972年，第一塊鋰二次電池誕生，采用了鋰金屬單質作為負極，二硫化鈦TiS₂為正極，LiClO₄ /二惡茂烷為電解液。由于鋰離子在嵌入/脫嵌過程中（嵌入發生在放電時，此時鋰離子嵌入到二硫化鈦的晶格結構中；充電時鋰電子回到原來的狀態），不影響二硫化鈦的晶格結構，所以具有良好的可逆性，這讓鋰電池具有了一般高能量密度可充電電池不具備的高循環壽命。然而，實際中電池壽命比理論預期短、出現安全性能差等問題。研究充放電機理表明, 鋰枝晶的生成是“罪魁禍首”，如圖1所示。 

圖1 電極析出的鋰枝晶 

　　充電過程中, 由于金屬鋰電極表面凹凸不平，造成不均勻沉積，導致充電時析出鋰枝晶。當枝晶生長到一定程度就會折斷,造成鋰的不可逆, 使電池充放電實際容量降低。鋰枝晶也有可能刺穿隔膜, 將正極與負極連接起來，造成內部短路，產生大量的熱令電池著火甚至發生爆炸。由于鋰枝晶問題難以解決，鋰金屬二次電池發生多起起火事故，大部分企業退出金屬鋰二次電池開發，尋找其他的解決方案，發展最成熟的當屬鋰離子電池與鋰聚合物電池。 

　　鋰離子電池方面，跑在最前面的是索尼公司。在嘗試了1.1億種正負極材料和電解液的組合后，索尼挑選出了以LiCoO2為正電極和C為負電極的方案，鋰離子在充放電循環過程中，在正負電極來回“嵌入”與“脫嵌” (見圖2)，就像搖椅一樣“搖擺”，所以被形象地命名為搖椅式電池。在這一基礎上，索尼在1992年推出了鋰離子電池（LIB），直徑18mm、長度65mm，也就是當今廣泛采用的18650鋰電芯。 

圖2 鋰離子電池原理圖 

　　鋰聚合物電池是另一種方案，采用離子導電聚合物電解質取代液體電解質。聚合物電解質還兼有液態鋰離子電池中隔膜的作用，通常可以分為兩種：固體聚合物電解質SPE和凝膠聚合物電解質GPE。固體聚合物電解質可以做得很薄, 電池可做成任意形狀而且防漏, 并可防止鋰枝晶的形成,然而離子導電率低、機械強度等問題妨礙了其發展。同時，研究者們發現在固體聚合物電解質中添加增塑劑后變成了凝膠聚合物電解質，能大幅提升離子導電性，而且電化學穩定性、安全性、機械耐受性和電池過充電時的耐受性都比固體聚合物電解質優良。1999年, 鋰離子聚合物電池正式投入商業化生產，也被日本人稱為鋰聚合物電池的元年。 

　　介紹完鋰電池發展史，我們回過頭來看三星Note 7，手機中使用的是鋰離子電池，充電時，鋰離子經過正極與負極之間的電解液“游”到負極中；放電時，這些鋰離子又從負極中經過電解液“游”回正極中。在此過程中，如果正極與負極直接接觸就會發生短路，造成電池的異常發熱，甚至會導致起火爆炸等危險。隔絕正負極并提供充足的電解液給鋰離子來回“游動”靠的是關鍵材料--隔膜。目前手機電池的能量密度已經逼近極限，廠商為了提高續航能力，只能想方設法給電池“瘦身”。同一塊電池，如果隔膜變薄，可以多裝一點正極和負極材料，提升電池能量密度。但是，越薄的隔膜對工藝的要求越嚴格，稍微的質量瑕疵或電池工藝失誤都有可能造成隔膜缺陷，導致電池的短路。調查證實，Note 7爆炸的原因正是由于電池在陽極與陰極隔離膜局部變薄，并且絕緣膠帶未完全覆蓋極板涂層的情況下，出現短路。 

　　為了提高鋰電池安全性，研究者也不斷進行相關研究：一方面給鋰電池配備保護芯片和軟件，設定鋰電池的充電速度，并隨時監測鋰電池的過充、過放狀態以及溫度信息，主動報警，避免出現由于溫度過高引發爆炸。另一方面是從鋰電池本身入手，美國斯坦福大學教授崔屹團隊利用橡皮泥“是軟是硬可隨作用力大小隨意切換”的個性，將它作為鋰金屬電池電極的保護涂層，顯著提高了電池循環穩定性和安全性。相關研究成果近日發表在國際材料與化學類頂尖雜志《美國化學會雜志》（JACS）上。將一層厚度僅約1微米的橡皮泥涂在鋰金屬表面，可以近乎完美地保護鋰金屬電極。一旦某些區域有鋰枝晶“刺出”，橡皮泥涂層就會迅速變硬，有效阻擋鋰枝晶的生長。這種智能刺激響應涂層為鋰電池研發提出了一個全新的概念，未來有望繼續完善并實現商用。