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智能锂电池爆炸提前知-【新闻】

发布时间:2021-05-24 08:58:36 阅读: 来源:水泥仓除尘器滤芯厂家

智能锂电池,爆炸提前知如果有,你的智能设备推送了一条紧急消息提示你:主人注意,电池有爆炸危险!这也许能减少不少锂电池爆炸所产生的危害。

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。[1]果壳网就此对论文通讯作者,斯坦福大学材料科学与工程系助理教授崔屹(Yi Cui)进行了采访。

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。崔屹对果壳网如是说,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。图片来源:

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。

传统锂电池(a)和有铜镀层的锂电池(b)在树突生长时,不同位置的电压差。铜镀层能够通过电压差提前监测到树突的生长。图片来源:研究者提供。

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,铜镀层只有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。

铜镀层可以通过监测电压差,提前大约三个小时通知电池短路的危险。图片来源:研究者提供。

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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