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“智能”锂电池,爆炸提前知

发布时间 :2015-08-06 11:47 阅读 :
 斯坦福大学的科学家已经成功研制出了一种智能锂电池,它可以监测自身内部是否短路,从而赶在电池过热爆裂起火前,通过智能设备向主人发出警告。这项新技术可能造福于全世界数以亿计的设备,包括手机、个人电脑和其他种种电子产品,甚至正在发展中的汽车与航空锂电池。研究论文于今年10月发表在《自然》上。

“我们的目标是创立一个报警系统,它能够拯救生命,保障财产安全。”论文通讯作者,斯坦福大学材料科学与工程系助理教授崔屹说,他同时表示:“这项技术可以检测到电池正常使用过程中可能遇到的问题,但并不适用于意外碰撞或者其他的事故损坏。”


索尼锂电池起火事件。

近年来,一系列大事件使人们开始关注锂电池的安全性:2013年,在两架飞机的电池组起火后,波音公司暂停了它的飞行队列计划,而起火原因仍未查明;2006年,索尼公司曾召回数以百万的锂电池,起因是它们造成了十几台笔记本电脑起火——索尼表示这可能是因为在生产过程里,微小的金属杂质进入了电池内部,造成了电池短路。

“倒霉事发生的概率也许只有万分之一,但这仍然会是一个很大的问题。”崔屹说道,“考虑到现在数亿级的个人电脑和手机销量,电池起火可不是什么小事。而我们则希望把电池起火的可能性降低到十亿分之一,甚至,降到零。”

典型的锂电池有两个比较紧凑的电极:碳阳极和锂金属氧化物阴极。两者之间,有一层超薄聚合物隔层用来隔离两个电极。如果这一层聚合物有损坏,就可能导致电池的短路,并引燃那些用来给锂离子提供通路的电解质溶液。“这层隔层使用的材料和塑料瓶一样。”研究的共同作者丹尼斯·卓(Denys Zhuo)说道,“它是多孔的,可以让锂离子在电池的充电电极和放电电极之间流动。”一些制造上的缺陷,比如掺进金属和灰尘颗粒可能刺穿隔膜并触发短路——就如同2006年索尼所召回的那些锂电池那样。同时,如果电池过充,或者温度太低,短路的情况也都有可能发生。崔屹对此解释道:“过度充电会导致锂离子在阳极堆积,形成被称作‘树枝晶’的锂金属。这种树突可能会穿透多孔的聚合物隔离层,最终让阳极与阴极接触,导致短路。
 

 

过去的几年里,崔屹和他的同事们一直在考虑建立一个智能反馈机制,监测树突是否到达阴极,从而能够在短路之前发出警告。为了解决这个问题,他们在聚合物隔离层的一侧安装了一层铜纳米层,来建立阴极与阳极之间的“第三电极”。“这层铜纳米层就像一个传感器,可以测量阳极和聚合物隔离层之间的电压差。”卓解释道,“当树突达到铜镀层后,铜镀层和隔离层之间的电压差下降到零,我们就能知道,树突已经生长到铜镀层那里了——作为一个警告,它告诉你电池已经有些危险,有潜在的短路爆炸可能。”

树突的生长最可能发生在电池的充电过程中。如果电压差下降到零,用户的智能设备上将会得到一条信息,告诉用户可能得换电池或者拿去维修了。“这会给你足够的准备时间。”卓说道,“不过当你看到电池冒烟或者起火,那就有点晚了。这就是为什么我们希望做出这种设备:它让你能提前知道,我的电池什么时候会有危险。”
除了监测电压差,它还能通过简单测量隔离层与阴极之间的电阻,从而查明树突是否已经突破了铜镀层。“相对聚合物隔离层,铜镀层只50纳米厚,是隔离层的五百分之一。”该研究的作者之一,吴晖说道,“但铜镀层同样是多孔的,和隔离层一样,并不会影响到锂离子的流动。”他表示这层铜镀层不会改变电池的性能,但可以保证电池尽可能的安全,并提前大约三小时通知用户电池短路的危险。
 

 

如今,大多数锂电池被使用在小型电子设备上。不过随着电动车市场的扩大,以及机载电子设备对锂电池的需求,崔屹表示希望将自己的研究应用在这些领域里,以免之后更大的安全问题。“数以千计的锂电池已经装配在了汽车上,甚至有很多是电池组。”崔屹补充道,“一旦一个电池爆炸,产生的连锁反应将不堪设想。这种报警技术同样有用在锌、铝和其他金属电池里的潜力。它适用于任何电池,让你能够在电池爆炸之前检测到。”

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