去年年底，三星公司的Galaxy Note 7爆炸消息频发，国内外的各大航空公司也纷纷禁止携带Galaxy Note 7乘机。此次三星因为Note 7大规模召回直接经济损失可能高达20亿美元，间接品牌价值损失不可估量。一时之间，锂电池的安全问题再次引起了人们的高度关注。其实，锂电池自从问世以来，已经爆炸过多次。2006年，安装索尼生产锂电池的笔记本电脑（例如戴尔）有过热起火的隐患，索尼耗费4亿美元召回了近1000万个电池，成为IT界年度丑闻之首。2013年，美国波音公司制造的波音787客机“梦幻”客机由于锂电池容易过热被迫暂停飞行，类似事件都给锂离子电池的安全问题敲响了警钟。要揭开锂电池起火乃至爆炸的原因，还得从锂电池的发展过程说起。
早在1958年，由于具有很高的能量密度，锂被用于电池中。锂一次电池（也叫锂原电池，一次性使用）于1970年进入商业领域。由于这种电池不环保且浪费资源，上世纪60年代，人们已经开始研究可以反复使用的锂二次电池。锂二次电池研发经历了金属锂二次电池、锂离子电池与锂聚合物电池三个阶段。
1972年，第一块锂二次电池诞生，采用了锂金属单质作为负极，二硫化钛TiS2为正极，LiClO4 /二恶茂烷为电解液。由于锂离子在嵌入/脱嵌过程中（嵌入发生在放电时，此时锂离子嵌入到二硫化钛的晶格结构中；充电时锂电子回到原来的状态），不影响二硫化钛的晶格结构，所以具有良好的可逆性，这让锂电池具有了一般高能量密度可充电电池不具备的高循环寿命。然而，实际中电池寿命比理论预期短、出现安全性能差等问题。研究充放电机理表明, 锂枝晶的生成是“罪魁祸首”，如图1所示。
图1 电极析出的锂枝晶
充电过程中, 由于金属锂电极表面凹凸不平，造成不均匀沉积，导致充电时析出锂枝晶。当枝晶生长到一定程度就会折断,造成锂的不可逆, 使电池充放电实际容量降低。锂枝晶也有可能刺穿隔膜, 将正极与负极连接起来，造成内部短路，产生大量的热令电池着火甚至发生爆炸。由于锂枝晶问题难以解决，锂金属二次电池发生多起起火事故，大部分企业退出金属锂二次电池开发，寻找其他的解决方案，发展最成熟的当属锂离子电池与锂聚合物电池。
锂离子电池方面，跑在最前面的是索尼公司。在尝试了1.1亿种正负极材料和电解液的组合后，索尼挑选出了以LiCoO2为正电极和C为负电极的方案，锂离子在充放电循环过程中，在正负电极来回“嵌入”与“脱嵌” (见图2)，就像摇椅一样“摇摆”，所以被形象地命名为摇椅式电池。在这一基础上，索尼在1992年推出了锂离子电池（LIB），直径18mm、长度65mm，也就是当今广泛采用的18650锂电芯。
图2 锂离子电池原理图
锂聚合物电池是另一种方案，采用离子导电聚合物电解质取代液体电解质。聚合物电解质还兼有液态锂离子电池中隔膜的作用，通常可以分为两种：固体聚合物电解质SPE和凝胶聚合物电解质GPE。固体聚合物电解质可以做得很薄, 电池可做成任意形状而且防漏, 并可防止锂枝晶的形成,然而离子导电率低、机械强度等问题妨碍了其发展。同时，研究者们发现在固体聚合物电解质中添加增塑剂后变成了凝胶聚合物电解质，能大幅提升离子导电性，而且电化学稳定性、安全性、机械耐受性和电池过充电时的耐受性都比固体聚合物电解质优良。1999年, 锂离子聚合物电池正式投入商业化生产，也被日本人称为锂聚合物电池的元年。
介绍完锂电池发展史，我们回过头来看三星Note 7，手机中使用的是锂离子电池，充电时，锂离子经过正极与负极之间的电解液“游”到负极中；放电时，这些锂离子又从负极中经过电解液“游”回正极中。在此过程中，如果正极与负极直接接触就会发生短路，造成电池的异常发热，甚至会导致起火爆炸等危险。隔绝正负极并提供充足的电解液给锂离子来回“游动”靠的是关键材料--隔膜。目前手机电池的能量密度已经逼近极限，厂商为了提高续航能力，只能想方设法给电池“瘦身”。同一块电池，如果隔膜变薄，可以多装一点正极和负极材料，提升电池能量密度。但是，越薄的隔膜对工艺的要求越严格，稍微的质量瑕疵或电池工艺失误都有可能造成隔膜缺陷，导致电池的短路。调查证实，Note 7爆炸的原因正是由于电池在阳极与阴极隔离膜局部变薄，并且绝缘胶带未完全覆盖极板涂层的情况下，出现短路。
为了提高锂电池安全性，研究者也不断进行相关研究：一方面给锂电池配备保护芯片和软件，设定锂电池的充电速度，并随时监测锂电池的过充、过放状态以及温度信息，主动报警，避免出现由于温度过高引发爆炸。另一方面是从锂电池本身入手，美国斯坦福大学教授崔屹团队利用橡皮泥“是软是硬可随作用力大小随意切换”的个性，将它作为锂金属电池电极的保护涂层，显著提高了电池循环稳定性和安全性。相关研究成果近日发表在国际材料与化学类顶尖杂志《美国化学会杂志》（JACS）上。将一层厚度仅约1微米的橡皮泥涂在锂金属表面，可以近乎完美地保护锂金属电极。一旦某些区域有锂枝晶“刺出”，橡皮泥涂层就会迅速变硬，有效阻挡锂枝晶的生长。这种智能刺激响应涂层为锂电池研发提出了一个全新的概念，未来有望继续完善并实现商用。
科学普及