智能汽車鋰電池可預警起火征兆

鋰電池不但是手機、筆記本等數(shù)碼設(shè)備上最常使用的儲能設(shè)備，它在汽車和航空領(lǐng)域的應用也日漸增加。

但是鋰電池的發(fā)展不是一帆風順的。2006年，索尼品牌數(shù)十臺筆記本電腦發(fā)生起火事故，召回了幾百萬塊鋰電池。索尼透露，電池生產(chǎn)過程中，有微量的金屬雜質(zhì)進入電池，引起短路，是起火的原因。

去年，波音公司曾一度停飛多架787飛機，因為波音發(fā)現(xiàn)有兩臺飛機的電池組過熱起火。盡管之后電池組重新設(shè)計，但是起火原因仍未查明。

為了解決上述安全隱患，斯坦福大學的科學家正在開發(fā)智能鋰電池，讓電池在過熱之前發(fā)出警報。材料科學與工程學院副教授Yi Cui說：“我們的目標是開發(fā)早期警報系統(tǒng)，挽救生命和財產(chǎn)。它可以探測電池正常運轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的問題。但是沒法監(jiān)控故障電池(如撞車后的鋰電池)的運轉(zhuǎn)情況。”Cui說目前鋰電池起火事故的發(fā)生概率為百萬分之一，考慮到手機電腦等電子產(chǎn)品數(shù)億臺的年銷量，事故總數(shù)仍然太高。我們希望將起火率降低到十億分之一或零。

常規(guī)鋰電池由兩個電極組成——碳氧極和鋰金屬氧化物陰極，中間是極薄的聚合物隔膜。如果隔膜受損，電池就會短路，點燃可燃的電解液。隔膜的材料和塑料水瓶相同，具有多孔結(jié)構(gòu)，鋰離子可以通過隔膜，實現(xiàn)電池充放電。

索尼公司發(fā)現(xiàn)工藝缺陷(如摻雜的金屬粒子、灰塵粒子)會刺穿隔膜、引起短路。短路還可能由過充電Overcharge造成。過充電指的是低溫下的過快充電。Cui說：“過充電會引起鋰離子在陽極堆積，產(chǎn)生鋰金屬枝晶。枝晶能刺穿多孔隔膜，長期發(fā)展還能接觸到陰極，引起電池短路。前幾年我們開始研發(fā)智能隔膜，它可以在枝晶接觸陰極之前檢測短路發(fā)生。”Cui和他的同事在復合物隔膜一側(cè)覆蓋了一層銅膜，在陰極和陽極之間建立了第三個隔斷層。

Cui手下的研究生Densy Zhuo說：“銅膜起到傳感器的作用。通過測量陽極和銅膜之間的電壓，當枝晶生長過長，接觸銅膜時，電壓降到零。這就告訴你枝晶已跨越陰陽極間距的一半，也是換電池的警告，以防枝晶完全生長到達陰極并短路。”

枝晶生長最有可能發(fā)生在充電過程中，而不是電池使用(放電)過程中。Zhuo說：“用戶的手機可以收到報警消息，說電壓已經(jīng)降到零，需要換電池。這給用戶留出更多時間作出反應或逃生，而不是等到電池冒煙起火后，才手忙腳亂地滅火、換電池。把銅膜到陽極的距離縮短，枝晶會更早地將陽極和銅膜聯(lián)通，報警的靈敏度更高。”

除了觀察電壓下降水平之外，通過測量陰極和隔膜之間的電壓，研究人員還能得出枝晶生長的具體位置。顯微鏡觀看發(fā)現(xiàn)：隔膜破洞位置和預測的枝晶位置吻合，該方法得到證實。

Cui團隊的博士后Hui Wu說：“聚合物隔膜外層的銅膜厚度僅為50納米，比隔膜本身薄500倍。加上銅膜后，隔膜仍保持了足夠的彈性和多孔性，性能和常規(guī)隔膜相同，所以它幾乎不會影響鋰離子在陰極和陽極之間的流動。額外的銅膜并不影響電池性能，但是巨大地提升了安全性。”

絕大多數(shù)鋰離子電池用于小型電子設(shè)備。Zhuo說：“但是電動車和飛機電子設(shè)備越來越多地采用鋰電池，電池組越變越大，安全性更加重要。比如由幾千塊鋰離子電池組成的電池組，如果其中一塊發(fā)生爆炸，可能引起整個電池組的爆炸。”

早期警報技術(shù)還可用于鋅、鋁等其他金屬電池中。Cui說：“該技術(shù)可以用于預測所有由短路導致的電池爆炸。”