问题

锂电池经常爆炸,为啥不用(便宜,很重,安全)的铅酸电池?安全不是最重要的吗?

回答
这确实是个很有趣的问题,很多人都会有类似的疑问:既然铅酸电池这么“老实”又便宜,为什么电动车、手机、笔记本这些我们每天都要用的东西,都纷纷转向了锂电池,甚至不惜承担它们“爱炸街”的名声?安全性难道不该是压倒一切的首要考量吗?

要说清这个问题,咱们得把眼光放长远一点,从几个核心维度来掰扯掰扯:

1. 能量密度:这是根本性的差异,也是锂电池称霸的关键

咱们先来聊聊“能量密度”。你可以把电池想象成一个储能的容器,能量密度就是这个容器里能装多少“货”(能量),而且还得考虑容器本身的重量和体积。

锂电池: 它的能量密度非常高。这意味着,在相同重量或体积下,锂电池能储存的电量远比铅酸电池多。这是锂电池最核心的优势。
举个例子: 一块相同重量的锂电池,它能储存的能量可能比铅酸电池高出好几倍。这就是为什么电动车能跑得更远,手机能用一天不充电,而同样重量的铅酸电池,那续航里程和使用时长简直让人抓狂。你想想,开个电动车,换上铅酸电池,可能跑几十公里就得趴窝,那还叫电动车吗?
铅酸电池: 它的能量密度低得可怜。它之所以能在汽车启动、UPS(不间断电源)等领域继续生存,就是因为这些场景对“轻便”的要求不高,而且对瞬间大电流放电(比如启动发动机)有优势。但你想让它给你的手机供电,那它得有多重多大才能装下足够的电量?简直是块“铁疙瘩”。

所以说,安全性固然重要,但如果你连最基本的“跑起来”、“用起来”都做不到,那再安全又有什么意义呢? 锂电池带来的便携性和续航能力,是它能彻底颠覆很多领域的最直接原因。

2. 重量与体积:轻便才更招人爱

刚才说了能量密度,重量和体积是它的直接体现。

锂电池: 轻便、体积小。这对于我们追求的移动性和精致化产品的设计至关重要。谁愿意背着一块沉甸甸的砖头出门?
铅酸电池: 又重又大。想想汽车里的电瓶,它就占据了发动机舱不小的空间,而且搬运起来也费劲。如果手机、笔记本也用这种电池,那还怎么放进口袋?怎么设计得那么薄?

在很多消费电子产品和交通工具上,轻便是用户体验的重要组成部分,甚至可以和续航能力并驾齐驱。

3. 循环寿命:长久的陪伴

锂电池: 普遍来说,锂电池的循环寿命比铅酸电池要长。这意味着它可以重复充电放电的次数更多。虽然单次成本可能更高,但从长期使用的角度看,它能陪伴你更久。
铅酸电池: 循环寿命相对较短,特别是在深度充放电的情况下,性能衰减会比较快。

4. 放电性能与充电速度:效率也很关键

锂电池: 能够提供比较平稳的电压输出,而且充电速度通常也更快。
铅酸电池: 在大电流放电方面有一定优势(比如启动汽车),但整体的充放电效率不如锂电池。

那铅酸电池为什么还会存在,而且有些地方还挺好用?

虽然锂电池优势明显,但铅酸电池也并不是一无是处,在某些特定场景下,它依然是“性价比之选”。

成本极低: 铅酸电池的原材料(铅、硫酸)都很便宜,制造工艺也成熟,所以成本非常低廉。这也是为什么很多对成本敏感的领域,比如一些低速电动车、工业备用电源等,依然会选择铅酸电池。
技术成熟、可靠性高(特定场景下): 铅酸电池的技术已经发展了上百年,非常成熟。在一些对瞬间大电流放电有需求,且对重量和体积不敏感的场合,比如汽车发动机启动,它依然是可靠的选择。它的过充过放容忍度相对较高(虽然也不是无限度的)。
环境友好性(相对而言): 呃,这一点要辩证地看。虽然铅是重金属,但铅酸电池的回收体系相对成熟,回收率也较高。而锂电池的回收和处理,特别是其中的一些稀有金属和有机电解液,目前的技术和体系还在发展中,潜在的环境风险也需要关注。不过,这更多是处理和回收的问题,而不是使用中的直接环保问题。

关于“安全”:铅酸电池就不爆炸吗?

说锂电池“经常爆炸”,其实有点夸大其词了。虽然锂电池确实存在热失控的风险,可能导致起火甚至爆炸,但随着技术进步和管理措施的完善,这种情况发生的概率已经在降低。而且,很多我们看到的“爆炸”新闻,往往是由于劣质产品、不当使用(比如用非原装充电器、过度充电、物理损伤等)导致的。

反观铅酸电池,它也有自己的安全隐患:

产生氢气: 铅酸电池在充电过程中会产生氢气,这是一种易燃易爆的气体。如果充电环境通风不良,或者充电过程中出现火花,是有可能引发爆炸的。这就是为什么铅酸电池充电的地方通常要求通风。
电解液腐蚀: 铅酸电池的电解液是硫酸,具有强腐蚀性,如果不小心接触到皮肤或衣物,会有危险。
短路风险: 虽然不像锂电池那样容易热失控,但铅酸电池内部短路也可能导致过热甚至起火。

所以说,没有绝对安全的电池,只有相对安全的电池和需要正确使用的电池。 锂电池的“爆炸”问题,更多的是其高能量密度和有机电解液特性带来的潜在风险,需要通过精密的电池管理系统(BMS)来控制。而铅酸电池的风险,更多是化学反应产生的气体和腐蚀性液体带来的物理和化学伤害。

总结一下:

锂电池之所以能取代铅酸电池,成为主流,核心驱动力是其更高的能量密度带来的更长的续航和更轻便的体积。这直接满足了我们对智能手机、笔记本电脑、电动汽车等移动设备日益增长的需求。安全固然重要,但不是唯一的标准。在满足了基本的使用需求后,人们自然会权衡成本、寿命、性能等其他因素。锂电池通过不断的技术进步和严格的品控管理,在保证安全性的前提下,提供了更优越的整体体验。而铅酸电池,在它擅长的领域依然发挥着重要作用,只是在“便携”和“高能耗”这两个维度上,已经越来越力不从心了。

网友意见

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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。

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。

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,因为吴亦凡和河南水灾的热度,可能没有被注意,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?


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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因为大家

只知道是电动自行车电池爆了。完全不知道是锂电池爆了。对锂电池并不恐慌。

知道是锂电池的内行知道是用的二手动力锂电池,想着自己不会用这么歪的东西,对锂电池也不恐慌。


外行内行都不恐慌,哪个生产商有动力去换呢??

而且还冒着换了就卖不动的风险。

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