鋰離子電池行業(yè)需要克服兩大障礙：即原材料獲取和電池故障預(yù)防。隨著LIB行業(yè)需求的增長，關(guān)鍵原材料的獲取將面臨更大的壓力。具體來說，鋰、鈷和石墨的需求預(yù)計將在未來幾十年顯著增加。LIB原材料獲取需要考慮各種環(huán)境和社會因素，以確保人類社會可持續(xù)性發(fā)展。 

LIB行業(yè)還必須解決導(dǎo)致LIB故障和熱失控的問題。雖然大多數(shù)鋰電池故障都屬于孤立的小型事故，但也有大規(guī)模的事故發(fā)生。此類電池故障會導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)，造成重大損失和死亡。幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)具備了相關(guān)資源和技術(shù)，用于防止電池故障和熱失控的發(fā)生。我們將研究圍繞原材料獲取和電池故障的問題，重點介紹解決上述問題的近期創(chuàng)新和技術(shù)

LIB LIB通常由隔膜、電解質(zhì)、負(fù)極（通常是石墨）和正極（通常是層狀鋰過渡金屬氧化物，即鈷、鎳和錳）組成，見圖1。作為電子絕緣體的隔膜被溶解在有機(jī)碳酸酯溶劑中的電解質(zhì)（即六氟磷酸鋰）飽和。

這些金屬的原材料開采依賴于不斷擴(kuò)大的采礦業(yè)和高純度金屬加工，這將繼續(xù)增加未來加工技術(shù)的復(fù)雜性。推動采礦技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的主要機(jī)制是安全考慮和運營效益。

在精煉和其他高風(fēng)險操作任務(wù)期間，鑒于在粉塵中發(fā)現(xiàn)的大量金屬顆粒，采礦業(yè)已經(jīng)開始使用遙控和自主機(jī)器人設(shè)備來替代人工作業(yè)。遙控和自主機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)使淹水礦山和深海礦床的勘探得到加強。此外，在新冠疫情期間，遙控和自主機(jī)器人設(shè)備可以通過減少操作期間的密切接觸情況來輔助管理病毒感染和未來疫情反復(fù)的風(fēng)險。包括遠(yuǎn)程操作、機(jī)器人和自動化在內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新正在幫助采礦業(yè)朝著工業(yè)4.0時代轉(zhuǎn)型，見圖2。數(shù)字連接和集成系統(tǒng)的增加促進(jìn)了各種新技術(shù)的發(fā)展，例如物聯(lián)網(wǎng)和高級分析。這些技術(shù)創(chuàng)新旨在優(yōu)化行業(yè)，能夠為運營商提供更好的分析工具，從而作出更好的決策并提高生產(chǎn)效率。

鋰電池創(chuàng)新繼續(xù)為更高效的電池系統(tǒng)設(shè)定黃金標(biāo)準(zhǔn)，并加強其承諾。然而，盡管LIB可能具有推動綠色能源解決方案普及的潛力，但矛盾的是，LIB擴(kuò)大發(fā)展的主要障礙之一是原材料獲取的過程中對環(huán)境造成的負(fù)面影響。LIB是鋰電池生產(chǎn)過程中產(chǎn)生能量和碳足跡的主要原因。LIB對氣候總影響中有40%是由電池活性物質(zhì)的開采、轉(zhuǎn)化和提煉造成的，電池生產(chǎn)是第二大能源消耗過程，在總CO2/kWh中占比20%。2為了減輕LIB對環(huán)境的影響，當(dāng)前正在開發(fā)幾種創(chuàng)新工藝

地?zé)釀恿︿囂崛ulcan Energy公司開發(fā)了利用地?zé)崮艿牧闾间?trade;提取技術(shù)。作為歐盟氣候議程的一部分，Vulcan的目標(biāo)是每年生產(chǎn)足量的鋰，用于100萬枚電池的制造。上述鋰生產(chǎn)的啟動時間定于2024年初，屆時將顯著提高歐盟獨立生產(chǎn)汽車電池的能力。用于高純鋰的地下鹽水提取鋰鹽、碳suan鋰或一水氫氧化鋰的現(xiàn)行純度標(biāo)準(zhǔn)為99.5%。然而，提供99.99%純度產(chǎn)品的高純鋰市場正在增加。更高純度的鋰鹽可確保電池性能，并消除可能導(dǎo)致電池故障和過熱的雜質(zhì)（例如鈉）風(fēng)險。

Prairie Lithium公司利用加拿大西部儲量豐富的富鋰鹽水開發(fā)了一種非傳統(tǒng)的鋰提取方法。該方法利用含有15-300 ppm鋰的地下鹽水，其含量明顯高于鋰含量為0.2 ppm的傳統(tǒng)海水。3之后使用原子吸收（AA）（一種發(fā)現(xiàn)更高金屬雜質(zhì)的有效測試）和電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP）測試（用于評估金屬雜質(zhì)的范圍和濃度）來分析鋰鹽水。確定位置后，令鹽水浮出水面進(jìn)入DLE工藝，從而將鋰從鹽水中析出。最后將濃縮鋰轉(zhuǎn)化為電池級LiX。3 ICP-OES是測定高純金屬原材料中雜質(zhì)的基礎(chǔ)技術(shù)。珀金埃爾默Avio 550 ICP-OES具有執(zhí)行高純度分析所需的靈敏度，使其成為高純度鋰提取的選擇。此外，其進(jìn)樣系統(tǒng)可耐受高鹽基質(zhì)和高腐蝕性樣品。表1顯示了LIB生產(chǎn)中使用的高純度碳suan鋰原材料中鑒定出的各種分析物。

據(jù)估計，到2030年將有近1100萬噸廢舊LIB。4目前尚無數(shù)量足夠的機(jī)構(gòu)來處理這些過量的垃圾?；厥誏IB將有助于確保原材料的充足供應(yīng)，同時減輕對環(huán)境的破壞。LIB回收的第一步，是停用和切開舊電池模塊，也就是放電和拆卸。模塊拆卸在惰性氣體條件下進(jìn)行，以避免熱失控。去除揮發(fā)性電解質(zhì)殘留物，并使用依賴于pH值的鹽沉淀進(jìn)行濕法冶金程序，以回收鋰和鈷等材料。期間必須使用元素分析和電池化學(xué)來表征LIB材料，如此才能確保有效的回收效率。

對廢舊鋰電池進(jìn)行再利用是另一種策略，用于緩解因LIB擴(kuò)張所帶來的有毒廢物和污染負(fù)擔(dān)。電動汽車電池電量降至7080%以下后，將失去為汽車供電的能力。6但是它們?nèi)员Ａ粲凶銐虻碾娙萘?，可用于其他需要固定存儲的功能，例如家用和工業(yè)電源應(yīng)用。目前，再利用LIB的主要限制是缺乏數(shù)據(jù)共享來支持電池容量的剩余價值、電池標(biāo)準(zhǔn)以及有限的責(zé)任明確。6導(dǎo)致電池故障的濫用因素不止一種，其中常見的有過度充電、電池誤用、過熱、制造缺陷和枝晶引起的短路。這些濫用因素都可能導(dǎo)致熱失控，因為當(dāng)內(nèi)部熱量產(chǎn)生速度超過散熱速度時，就會在電池中出現(xiàn)熱失控。7過度充電會在電極和電解質(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。過熱也會導(dǎo)致液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。隨著氣體的增多，壓力會增加到無法釋放的程度。一旦隔膜被這種壓力破壞，負(fù)極和正極之間的化學(xué)相互作用就會導(dǎo)致短路和熱失控

在電池被破壞后即出現(xiàn)熱失控，同時還將發(fā)生連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量無法釋放的熱能。在熱失控過程中，電池可以在幾秒鐘內(nèi)從室溫升溫到接近700°C。熱量將電解質(zhì)降解為易燃和有毒氣體，負(fù)極開始分解釋放氧氣，加速熱失控連鎖反應(yīng)。一旦可燃?xì)怏w在一定熱量下接觸到氧氣，就會發(fā)生燃燒反應(yīng)。隨著電池單元中壓力的持續(xù)上升，熱失控期間爆炸的風(fēng)險也會隨之增加。熱失控是一種放熱反應(yīng)，期間還能自行生成氧氣，因此很難熄滅。8 LIB發(fā)生過多起熱失控事件，導(dǎo)致電動汽車、手機(jī)、筆記本電腦甚至整個工業(yè)能源設(shè)施遭到破壞。智能手機(jī)在徹夜充電時不會發(fā)生火災(zāi)，這要歸功于電池管理系統(tǒng)（BMS）。LIB利用BMS管理充放電控制、故障診斷、參數(shù)檢測（總電壓、數(shù)字溫度、總電流）、平衡控制和熱管理

盡管BMS的設(shè)計旨在降低熱失控的風(fēng)險，但由于BMS（也包括電池）的制造缺陷或濫用因素，偶爾會在管理某個參數(shù)時失敗。正因如此，必須將適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量和開發(fā)策略應(yīng)用于LIB及其相關(guān)組件，同時利用排氣技術(shù)來有效預(yù)防熱失控。隨著濫用因素的開始，熱失控可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和危險的熔毀。熱失控預(yù)防可以在LIB開發(fā)過程中的幾個點進(jìn)行，也可以在LIB整個生命周期中進(jìn)行。在開發(fā)過程中對隔膜、電解質(zhì)和粘合劑進(jìn)行仔細(xì)分析可以防止雜質(zhì)的形成，并提供有關(guān)材料成分的重要信息，以支持熱失控預(yù)防。在后期生產(chǎn)中使用TG-IR-GCMS和熱失控傳感器檢測電池中的廢氣化合物，為LIB操作人員提供故障保險，以防止電池啟動前的熱失控。

鋰電池故障往往是由電池隔膜降解引起的。LIB行業(yè)隔膜中使用的合成聚合物兼具對應(yīng)的熱性能和物理性能，可確保電池完整性并防止電池故障。在制造過程中使用的劣質(zhì)聚合物或聚合物共混物可能導(dǎo)致LIB故障，因此，在制造的每個階段都需要對材料進(jìn)行驗證和質(zhì)量測試。紅外（IR）光譜非常適用于聚合物起始材料和成品的定性分析以及聚合物混合物中成分的定量分析。傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜是一種快速且無損的分析技術(shù)，可提供一種成分“快照"，因為測量數(shù)據(jù)特定于被測材料中存在的共價鍵。這些信息可以幫助LIB制造商驗證收到的原材料是否正確，也可以用于“取證"方法，通過分析故障組件來幫助確定根本原因。在充放電過程中可能會發(fā)生降解，并導(dǎo)致化學(xué)鍵和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這為檢查粘合劑或隔膜材料提供了見解。這些分析可以使用光譜3 FTIR等儀器批量進(jìn)行，也可以使用Spotlight 200i或400紅外顯微鏡進(jìn)行微尺度分析。圖3顯示了使用配備ATR成像附件的Spotlight 400顯微鏡獲得的降解隔膜的顯微光譜測量結(jié)果。1

鋰電池粘合劑負(fù)責(zé)將涂層顆粒固定在一起，并將涂層加固到金屬或隔膜上。此外，粘合劑有助于成膜，促進(jìn)溶劑中粒子的分散，而且有助于涂層分散，從而將均勻的漿料和離散的粒子輸送到正極和負(fù)極。對于輔助維持LIB容量的粘合劑，其功能取決于穩(wěn)定性，并且粘合劑必須能夠抗降解。11在受控加熱條件下測定鋰電池材料的熱穩(wěn)定性和分解曲線時，必須采用熱重分析（TGA）。圖4中，操作人員能夠使用珀金埃爾默TGA 8000™熱重分析儀，從LIB電極上的乙烯乙酸乙烯酯粘合劑樣品中生成熱重數(shù)據(jù)。1

電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）在鋰電池行業(yè)中應(yīng)用廣泛，尤其適合分析LIB電解質(zhì)中的雜質(zhì)。電解質(zhì)雜質(zhì)的存在增加了電池效率低下和故障的風(fēng)險。表2中，使用珀金埃爾默的Avio® 550 ICP-OES進(jìn)行了以下電解質(zhì)雜質(zhì)分析，提供了關(guān)于電解質(zhì)成分的出色見解。10

當(dāng)濫用因素開始產(chǎn)生廢氣后，可設(shè)立時間窗口用于探測氣體的產(chǎn)生，并制定對應(yīng)策略來消除濫用因素或關(guān)閉電池。在此期間，廢氣監(jiān)測和傳感器有助于防止熱失控。一旦探測到廢氣，就可以實施手動或自動程序關(guān)閉電池組，并繼續(xù)監(jiān)測煙霧作為預(yù)防措施。關(guān)鍵問題變成了哪些氣體對監(jiān)測重要？鑒于LIB成分的不斷變化，由于材料優(yōu)化的動態(tài)特性，獲得電池獨特的廢氣特征非常重要。12一旦確定，便可確定要監(jiān)測的關(guān)鍵氣體及其隨時間推移的濃度。由此獲取的廢氣特征可以幫助LIB制造商找到正確的傳感器或提供必要的數(shù)據(jù)以實施探測并設(shè)計出專用于制造商電池系統(tǒng)的傳感器。為了探測廢氣，重要的是傳感器或監(jiān)視器能夠探測依賴于所使用LIB的廢氣混合物

由于LIB正極中使用的鋰鹽種類繁多，如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰和磷酸鐵鋰，因此廢氣特性會因LIB內(nèi)部元素的差異而不同。揮發(fā)性有機(jī)化合物是大多數(shù)LIB的共同特征。一旦濫用因素引發(fā)電池故障，揮發(fā)性有機(jī)化合物將與一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、氯化氫和氫氣一起釋放出來。12使用TG-IR-GCMS的分析測試方法是對廢氣特征進(jìn)行綜合分析測試的理想技術(shù)。單個氣體化合物在熱失控之前可能無法提供充分的警報信號，因此一起計算廢氣特征的TG-IR-GCMS方法將提供強大的后監(jiān)測傳感器功能

TGA分析可以定量分析材料在特定溫度下的重量損失。質(zhì)譜（MS）能夠在熱分析過程中識別演變的類型，以此來增強TGA分析。如果復(fù)雜氣體（例如廢氣和VOC的混合物）在事件期間發(fā)生變化，則難以解釋MS數(shù)據(jù)。TG-GC/MS的使用增加了共同演變氣體的色譜分離，能夠識別單個組分，從而使數(shù)據(jù)解釋比TG-MS更容易

對可靠設(shè)備的投資為參與LIB開發(fā)的人員提供了可觀的投資回報。評估隔膜、粘合劑、電解質(zhì)和其他LIB組件的分析解決方案將確保電池完整性，并降低電池故障風(fēng)險。廢氣監(jiān)測中的防護(hù)措施為防止熱失控提供了額外的安全保障，有效防止了傷害、死亡和巨額成本。使用適當(dāng)?shù)姆治鰞x器有助于為LIB的開發(fā)和制造提供高純度的鋰和其他金屬。這些高純度金屬將顯著優(yōu)化成品的電池功能和故障率。從今往后，鋰電池創(chuàng)新必將繼續(xù)在能源、汽車和科技領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。要想在替代能源革命中取得主導(dǎo)地位，LIB制造商的當(dāng)務(wù)之急是克服原材料獲取的障礙，并減少電池故障