如果有一天，你的智能設(shè)備推送了一條緊急消息提示你：“主人注意，電池有爆炸危險(xiǎn)！”這也許能減少不少鋰電池爆炸所產(chǎn)生的危害。
斯坦福大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)成功研制出了一種智能鋰電池，它可以監(jiān)測(cè)自身內(nèi)部是否短路，從而趕在電池過(guò)熱爆裂起火前，通過(guò)智能設(shè)備向主人發(fā)出警告。這項(xiàng)新技術(shù)可能造福于全世界數(shù)以億計(jì)的設(shè)備，包括手機(jī)、個(gè)人電腦和其他種種電子產(chǎn)品，甚至正在發(fā)展中的汽車與航空鋰電池。研究論文于今年10月發(fā)表在《自然》上。記者就此對(duì)論文通訊作者，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授崔屹（Yi Cui）進(jìn)行了采訪。
“我們的目標(biāo)是創(chuàng)立一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，它能夠拯救生命，保障財(cái)產(chǎn)安全。”崔屹如是說(shuō)，他同時(shí)表示：“這項(xiàng)技術(shù)可以檢測(cè)到電池正常使用過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，但并不適用于意外碰撞或者其他的事故損壞。”
索尼鋰電池起火事件。
近年來(lái)，一系列大事件使人們開始關(guān)注鋰電池的安全性：2013年，在兩架飛機(jī)的電池組起火后，波音公司暫停了它的飛行隊(duì)列計(jì)劃，而起火原因仍未查明；2006年，索尼公司曾召回?cái)?shù)以百萬(wàn)的鋰電池，起因是它們?cè)斐闪耸畮着_(tái)筆記本電腦起火——索尼表示這可能是因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程里，微小的金屬雜質(zhì)進(jìn)入了電池內(nèi)部，造成了電池短路。
“倒霉事發(fā)生的概率也許只有萬(wàn)分之一，但這仍然會(huì)是一個(gè)很大的問(wèn)題。”崔屹說(shuō)道，“考慮到現(xiàn)在數(shù)億級(jí)的個(gè)人電腦和手機(jī)銷量，電池起火可不是什么小事。而我們則希望把電池起火的可能性降低到十億分之一，甚至，降到零。”
典型的鋰電池有兩個(gè)比較緊湊的電極：碳陽(yáng)極和鋰金屬氧化物陰極。兩者之間，有一層超薄聚合物隔層用來(lái)隔離兩個(gè)電極。如果這一層聚合物有損壞，就可能導(dǎo)致電池的短路，并引燃那些用來(lái)給鋰離子提供通路的電解質(zhì)溶液。“這層隔層使用的材料和塑料瓶一樣。”研究的共同作者丹尼斯·卓（Denys Zhuo）說(shuō)道，“它是多孔的，可以讓鋰離子在電池的充電電極和放電電極之間流動(dòng)。”一些制造上的缺陷，比如摻進(jìn)金屬和灰塵顆?？赡艽檀└裟げ⒂|發(fā)短路——就如同2006年索尼所召回的那些鋰電池那樣。同時(shí)，如果電池過(guò)充，或者溫度太低，短路的情況也都有可能發(fā)生。崔屹對(duì)此解釋道：“過(guò)度充電會(huì)導(dǎo)致鋰離子在陽(yáng)極堆積，形成被稱作‘樹枝晶’的鋰金屬。這種樹突可能會(huì)穿透多孔的聚合物隔離層，最終讓陽(yáng)極與陰極接觸，導(dǎo)致短路。”
傳統(tǒng)鋰電池（a）和有銅鍍層的鋰電池（b）在“樹突”生長(zhǎng)時(shí)，不同位置的電壓差。銅鍍層能夠通過(guò)電壓差提前監(jiān)測(cè)到樹突的生長(zhǎng)
過(guò)去的幾年里，崔屹和他的同事們一直在考慮建立一個(gè)智能反饋機(jī)制，監(jiān)測(cè)樹突是否到達(dá)陰極，從而能夠在短路之前發(fā)出警告。為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們?cè)诰酆衔锔綦x層的一側(cè)安裝了一層銅納米層，來(lái)建立陰極與陽(yáng)極之間的“第三電極”。“這層銅納米層就像一個(gè)傳感器，可以測(cè)量陽(yáng)極和聚合物隔離層之間的電壓差。”卓解釋道，“當(dāng)樹突達(dá)到銅鍍層后，銅鍍層和隔離層之間的電壓差下降到零，我們就能知道，樹突已經(jīng)生長(zhǎng)到銅鍍層那里了——作為一個(gè)警告，它告訴你電池已經(jīng)有些危險(xiǎn)，有潛在的短路爆炸可能。”
樹突的生長(zhǎng)最可能發(fā)生在電池的充電過(guò)程中。如果電壓差下降到零，用戶的智能設(shè)備上將會(huì)得到一條信息，告訴用戶可能得換電池或者拿去維修了。“這會(huì)給你足夠的準(zhǔn)備時(shí)間。”卓說(shuō)道，“不過(guò)當(dāng)你看到電池冒煙或者起火，那就有點(diǎn)晚了。這就是為什么我們希望做出這種設(shè)備：它讓你能提前知道，我的電池什么時(shí)候會(huì)有危險(xiǎn)。”
除了監(jiān)測(cè)電壓差，它還能通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量隔離層與陰極之間的電阻，從而查明樹突是否已經(jīng)突破了銅鍍層。“相對(duì)聚合物隔離層，銅鍍層只有50納米厚，是隔離層的五百分之一。”該研究的作者之一，吳暉說(shuō)道，“但銅鍍層同樣是多孔的，和隔離層一樣，并不會(huì)影響到鋰離子的流動(dòng)。”他表示這層銅鍍層不會(huì)改變電池的性能，但可以保證電池盡可能的安全，并提前大約三小時(shí)通知用戶電池短路的危險(xiǎn)。
銅鍍層可以通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓差，提前大約三個(gè)小時(shí)通知電池短路的危險(xiǎn)
如今，大多數(shù)鋰電池被使用在小型電子設(shè)備上。不過(guò)隨著電動(dòng)車市場(chǎng)的擴(kuò)大，以及機(jī)載電子設(shè)備對(duì)鋰電池的需求，崔屹表示希望將自己的研究應(yīng)用在這些領(lǐng)域里，以免之后更大的安全問(wèn)題。“數(shù)以千計(jì)的鋰電池已經(jīng)裝配在了汽車上，甚至有很多是電池組。”崔屹補(bǔ)充道，“一旦一個(gè)電池爆炸，產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)將不堪設(shè)想。這種報(bào)警技術(shù)同樣有用在鋅、鋁和其他金屬電池里的潛力。它適用于任何電池，讓你能夠在電池爆炸之前檢測(cè)到。”
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