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锂电池经常爆炸,为啥不用(便宜,很重,安全)的铅酸电池?

本帖由 漂亮的石头2023-06-01 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG]
    [​IMG] 孙亚飞,《元素与人类文明》《原子王国历险记》作者

    半年多没正经写科普回答,科学技术板块真是越发堕落了,多简单的问题愣是没人说得清,惋惜。

    利益相关:目前参与锂电项目,具体方向涉密,就不用过多猜测了。

    一条一条来吧。

    1、对电池来说,是否安全最重要?

    是的,没有安全性,各种功能都是水中望月。实际上,锂电池能够开始实用化,也是因为安全性达到了公众可以接受的程度。

    对于现在的电池产品,“锂电池”并不是很正确的称呼,这在 2019 年诺贝尔化学奖颁奖的时候,我就多次解释过。我们现在常用的“锂电池”实际上是“锂离子电池”,而真正的锂电池,目前只在一些特殊场合会使用。两者的区别,从原理来说还是相差比较大,锂离子电池本质上是锂离子从高浓度流向低浓度环境,从而形成电流,这种类型的电池属于浓差电池,而锂电池则是以金属锂作为负极,发生氧化还原反应之后形成电流,与一般的锌锰干电池原理相同。

    锂电池的能量密度远超锂离子电池,只是循环次数偏低。但是,生活中几乎只见锂离子电池而不见锂电池,最核心的原因就是,锂电池很不安全,因为金属锂遇水、遇氧都可能会发生反应,然后发热,最后引起爆炸。可能公众觉得,锂离子电池也不安全啊,隔三差五地炸,但如果我们用的是真正意义的锂电池,现在这点事故根本不够看的。

    也正是因为安全性差,现在即便是为特殊用途开发锂电池,成本也大得惊人。前两周刚刚在一家工厂里调研,为了设计一款特种锂电,工厂需要除湿器全开,每天的电费近三万块。即便如此,良品率还是很低,每天也就生产几千只小电芯而已,每瓦时的生产成本高达 20 元左右。作为对比,常规锂离子电池的生产成本不超过 1 块钱。

    所以,安全就是命,命都没了,钱也就赚不着了,为了安全,付出的代价也是惊人的。锂离子电池能够广泛使用,是因为它的安全性问题虽然存在,但威胁不到它的巨大价值。

    2、铅酸电池安不安全?

    如果按锂离子电池的标准来说,安全。比如,很多锂离子电池不能过穿刺,一针扎下去,电池就爆了,但铅酸就没这个问题。

    这是因为,锂离子电池里面通常装的是可燃的电解液,准确的说,是导电盐和可燃性的溶剂,这些溶剂包括碳酸酯类、醚类、酯类等等。一旦电池被扎透,正负极直接相连,也就是出现了短路,那么电池快速放电,溶剂就会被点燃,最后可能引起爆炸。这其中的细节原理不是一两句话说得清的,如果想了解细节,建议从电池的基础结构学起,我这里再贴个图,是近期锂电池安全会议上清华大学王莉老师的课件。

    [​IMG]

    铅酸电池当然没这个问题,它的电解液是硫酸,具体原理中学都学过。所以,要说它针刺安全,说得通,但要是真的用针扎铅酸电池,我们会觉得它安全吗?

    显然也不会,硫酸漏液能是什么安全的事吗?更何况,在正常使用过程中,铅酸电池是会释放含硫气体的,总有一部分硫酸会被还原成二氧化硫,这也是有毒的。在陆地上没什么关系,可是想想看,在水下舰艇中,这些有毒气体释放不出去,结果会怎样?

    所以,铅酸电池是否安全,完全是用锂离子电池的语境在说,但它的安全性并没有想象中高。

    举个不太恰当的例子,对于“姚明会打球”这个命题,我们认为成立,是因为我们默认这是在篮球领域里这么说,可要是姚明哪天找那个不会打球的刘胖子玩,刘胖子带他参观国乒训练场,一个十七八岁的小将,穿着印有“中国”的运动 T 恤对着姚大个子下战书:“听说姚主席很会打球?”你猜姚明会怎么说?

    所以,安全性并不只是一个维度,锂离子电池被戳破了会爆炸,铅酸电池被戳破了有腐蚀性,这都是不安全因素,只是爆炸给人视觉上的冲击力更大一些罢了。

    3、锂离子电池能不能做到安全?

    可以。

    现在的锂离子电池通常会加入阻燃剂,防止电解液因为短路等原因而燃烧,在一定程度上解决了安全性问题。

    当然,还有更直接的,用固态电解质,彻底实现不可燃烧不会爆炸。

    上个图吧,我们最近的一次电池在第三方检测机构进行的穿刺测试。

    [​IMG]

    可以看到,满电电池在针刺以后,一点反应都没有。

    出于敏感行业保密的要求,我不能展示更多的资料,但实际上这电池也通过了跌落、挤压等测试,但它还不是最安全的,还有一款扔在烤炉里都没事,这就可以想见它们可以用在哪些用途了。

    现在的问题是,为啥我们印象中的锂离子电池非常不安全,容易爆炸?

    此前几年手机和汽车的起火爆炸事件,的确让人记忆深刻,甚至业内人士都知道一些储能电站的事故,但是真正推波助澜的,还得说是电动自行车。

    就在这两天,杭州的一起电动自行车悲剧,贴一个链接:

    一声巨响!杭州一电动车行驶中突然起火,父女瞬间被火团包围!10 秒钟后,一群人冲了过来..._腾讯新闻

    这起事故非常惨烈,比成都电梯里发生的那一起还要惨。

    如果论事故率,电动自行车要远高于手机和新能源汽车,而且手机和汽车大多是充电时起火,人未必在现场,但是电动自行车却经常是在使用过程中突然起火。

    这其中的原因,很大程度是因为成本压缩导致。以杭州这起事故为例,电动自行车的电池更换过,价格仅为 500 元。一般电动自行车用的电池是 48 伏 20 安时,能量是 960 瓦时,也就是将近 1 度电。正规企业锂离子电池的生产成本,大约每瓦时能压缩到 0.5 元,所以这样一个电池,正规厂家生产的话,光电芯的成本最低就得 500 块了,再算上电池管理系统、外壳、导线以及销售费用和利润等,能控制在 1000 元就非常低了,实际得卖到 1500 元左右才正常。那么,500 元的电池会是怎么个来历?

    这里本来还想说点细节,不过想想这可能会教唆不法之徒找到生财之道,还是算了。灰色产业链么,脑补就好了。

    4、既然锂离子电池是因为极端控制成本导致容易爆炸,为什么不用更便宜的铅酸电池替代?

    好了,说到问题的核心了。

    很多人都不理解:既然锂离子电池太贵,有些人偷工减料导致容易起火,那干脆还用铅酸电池不好吗?

    也不是不可以,但消费者不买单。

    电动自行车的新国标的确也是一个因素,但是需要注意的是,新国标和老国标对比,电动自行车的重量要求从不高于 40 公斤提高到了不高于 55 公斤,可以说是大幅度放宽了要求。以上面说到的 960 瓦时电池为例,用铅酸电池制造,重量差不多要 20 公斤,的确很重,而锂离子电池的重量大约是 8 公斤。如果锂离子电池原来能够做到整车 40 公斤的话,铅酸电池也不难做到 55 公斤,这不是技术问题。

    问题在于,有人愿意自己的车上成天带着一只重达 20 公斤的电池来回跑吗?骑起来很笨重不说,如果需要拆下来充电,那可真就是体力活儿了。

    所以,至少在电动自行车领域,铅酸电池是被市场淘汰下来的,便宜的优势抵不过轻量化的实际需求。

    至于在汽车领域,铅酸电池早在一百多年前就被证明不适合用来做电动汽车了。爱迪生造电动汽车的时候,用的还是铁镍电池,当时的续航超过 200 公里,比得上现在一些不思进取的电动汽车厂商了,就这还被汽油车摁在地上摩擦了一百多年,铅酸电池何德何能?

    [​IMG]

    实际上,就连现在最不怕重量问题的一些场景都在考虑更换锂离子电池。比如水下舰艇,本身就要增加配重,铅酸电池用着还挺合适。但是现在,舰艇的功能越来越多,铅酸电池也成了累赘,锂离子电池也开始被重视起来了。

    最后还是总结一句吧。锂离子电池的安全性没有想象中那么低,铅酸电池也没有想象中那么高。锂离子电池的不安全,一方面是技术问题,这是可以改良的,另一方面是成本控制问题,这取决于人性。锂离子电池对铅酸电池的换代,主要是市场行为。
     
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