電池安全

如何改進(jìn)

作為戰(zhàn)略資源之一，電的重要性不言而喻。作為儲(chǔ)存電的設(shè)備，電池越來(lái)越多地出現(xiàn)在生活中，常見(jiàn)的比如小到掛在耳朵上的藍(lán)耳耳機(jī)，大到新能源汽車。

根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的成分和技術(shù)不同，電池可以分為磷酸鐵鋰電池、鋰離子電池等。合格的鋰離子電池在符合使用要求的情況下通常是安全的，但仍然容易發(fā)生爆炸和火災(zāi)。以下是一些推動(dòng)鋰離子電池設(shè)計(jì)和其他相關(guān)進(jìn)展的研究示例。

更安全的陰極材料

鋰離子電池的一些安全隱患源于制造鋰離子電池所需組件的不穩(wěn)定性，包括日益稀缺或位于沖突地區(qū)的礦物替代品。鎳陰極就是這種情況，工程師經(jīng)常用鈷陰極代替鎳陰極。后者的采購(gòu)難度越來(lái)越大。然而，鎳含量高的陰極具有機(jī)械和熱不穩(wěn)定性，使其安全性較低。

一個(gè)研究小組最近采用一種稱為高熵?fù)诫s的技術(shù)來(lái)制造一種分層的無(wú)鈷陰極，該陰極在重復(fù)的充電和放電循環(huán)中表現(xiàn)出極高的耐熱性和穩(wěn)定性。

參與該項(xiàng)目的物理學(xué)和天文學(xué)教授忻獲麟（Huolin Xin）解釋說(shuō)，電動(dòng)汽車制造商希望減少電池中的鈷含量有幾個(gè)原因。首先，他們知道開(kāi)采這些礦物會(huì)使用童工。其次，減少鈷的用量可以幫助他們降低成本。這種礦物也有安全隱患——忻獲麟解釋說(shuō)，鈷在高壓下會(huì)釋放氧氣，這可能會(huì)損壞電池。

用鎳基陰極制造鋰離子電池也不是理想的選擇。由于鎳的耐熱性低，電池材料更容易氧化，繼而熱失控事件或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)更大。此外，高鎳陰極反復(fù)膨脹和收縮，這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變，從而降低穩(wěn)定性。這些因素綜合起來(lái)說(shuō)明了鋰離子電池設(shè)計(jì)改進(jìn)的迫切需要。

研究人員的創(chuàng)新之處在于混合了其他幾種元素。陰極內(nèi)部包括鎂、鈦、錳、鉬和鈮。陰極表面有這些礦物質(zhì)的子集。測(cè)試表明，這種陰極可以承受超過(guò)1,000次充電循環(huán)。該團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)工作能朝著更安全、更可持續(xù)的來(lái)源邁出一步。

降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

電動(dòng)汽車需要人們養(yǎng)成新的習(xí)慣，比如記得給汽車充電，而不是依賴最近的加油站。無(wú)論如何，使用這些汽車越來(lái)越方便。特斯拉的超級(jí)充電樁只需半小時(shí)就能給汽車充滿電。

然而，電動(dòng)汽車的總體缺點(diǎn)是，如果汽車著火，它們會(huì)給消防員帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)——例如有毒煙霧和高壓電線。研究人員對(duì)如何降低火災(zāi)發(fā)生的可能性很感興趣。成功的方法將使汽車對(duì)消費(fèi)者更具吸引力，同時(shí)減少消防員面臨的普遍危險(xiǎn)。

起火引發(fā)的后果

一個(gè)團(tuán)隊(duì)在瑞士的測(cè)試隧道內(nèi)進(jìn)行了模擬，以確定電動(dòng)汽車電池在隧道、地下停車場(chǎng)和其他建筑物中起火時(shí)會(huì)發(fā)生什么。他們的發(fā)現(xiàn)將有助于工程師改進(jìn)鋰離子電池的設(shè)計(jì)。

例如，研究人員在通風(fēng)隧道、封閉空間和裝有噴水滅火系統(tǒng)的房間內(nèi)點(diǎn)燃電池單元。隨后，他們檢查了用于滅火的水中煙灰、煙氣和化學(xué)殘留物的擴(kuò)散情況。

這些測(cè)試揭示了影響多個(gè)行業(yè)的重要結(jié)論。用于撲滅測(cè)試火災(zāi)的水含有高達(dá)100倍的污染水平。因此，研究人員警告說(shuō)，這些水在進(jìn)入污水系統(tǒng)之前必須經(jīng)過(guò)處理。此外，煙灰中含有重金屬，可能會(huì)導(dǎo)致未受保護(hù)的皮膚出現(xiàn)過(guò)敏反應(yīng)。

這項(xiàng)工作對(duì)于確定電池火災(zāi)對(duì)人口密集地區(qū)的影響也很重要。2023年上半年，美國(guó)紐約市發(fā)生了60多起鋰離子電池火災(zāi)，造成5人死亡。該地區(qū)的另一起事故導(dǎo)致微型移動(dòng)設(shè)備的鋰離子電池引發(fā)了附近一棟公寓樓的火災(zāi)。人們?cè)揭庾R(shí)到這種后果，就越容易證明優(yōu)先改進(jìn)鋰離子電池設(shè)計(jì)以提高安全性是合理的。

防止火災(zāi)的鋰電池？

鋰離子電池的電極間有電解液。然而，當(dāng)電池過(guò)熱時(shí)，電解液會(huì)蒸發(fā)，導(dǎo)致短路。短路還會(huì)引發(fā)熱失控事件。在電動(dòng)汽車電池等應(yīng)用中，這一問(wèn)題可能會(huì)惡化，因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池通常有多個(gè)相連的電池單元，熱失控事件可能會(huì)在這些電池單元之間蔓延。

傳感器和通風(fēng)口等鋰離子電池設(shè)計(jì)特征可以降低熱失控概率，但它們通常會(huì)降低性能。研究人員希望在不影響電池性能的情況下提高電池的安全性。因此，他們用導(dǎo)電銅噴霧覆蓋了熱敏形狀記憶聚合物。

這種方法制成的材料除非變得異常熱，否則可以正常傳輸電子。如果發(fā)生這種情況，它將從傳輸器切換到絕緣體。這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在大約91攝氏度，這是因?yàn)槲⒂^圖案會(huì)分裂銅層，阻止電子流動(dòng)并防止火災(zāi)。

這項(xiàng)發(fā)明的循環(huán)壽命與傳統(tǒng)電池相似，導(dǎo)電性高，電阻率低。它為進(jìn)一步研發(fā)高性能、安全的電池奠定了基礎(chǔ)。

這件事，很重要

電池在現(xiàn)代生活中應(yīng)用十分廣泛，任何提高電池安全性的進(jìn)展都值得關(guān)注。人們正在采取各種方法來(lái)提高電池的安全性，這也是積極的一面。許多方法仍處于早期階段，研究人員現(xiàn)在得到的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)將幫助他們和其他人為未來(lái)類似的工作做出更好的決策。

與此相關(guān)的是，鋰離子電池設(shè)計(jì)中的安全性增強(qiáng)將對(duì)消費(fèi)者產(chǎn)生積極影響。即使他們不了解使電源不易著火或爆炸的技術(shù)細(xì)節(jié)，他們也會(huì)感激使用這些產(chǎn)品時(shí)風(fēng)險(xiǎn)的降低。

大多數(shù)人每天都使用大量電池供電設(shè)備，以至于他們幾乎不會(huì)考慮那些雖然微不足道但確實(shí)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)造成傷害、財(cái)產(chǎn)損失和死亡。世界對(duì)電池的依賴只會(huì)越來(lái)越大，因此以安全為中心的發(fā)展對(duì)于更安全的未來(lái)至關(guān)重要。