電池安全

如何改進

作為戰略資源之一，電的重要性不言而喻。作為儲存電的設備，電池越來越多地出現在生活中，常見的比如小到掛在耳朵上的藍耳耳機，大到新能源汽車。

根據化學物質的成分和技術不同，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，但仍然容易發生爆炸和火災。以下是一些推動鋰離子電池設計和其他相關進展的研究示例。

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定性，包括日益稀缺或位于沖突地區的礦物替代品。鎳陰極就是這種情況，工程師經常用鈷陰極代替鎳陰極。后者的采購難度越來越大。然而，鎳含量高的陰極具有機械和熱不穩定性，使其安全性較低。

一個研究小組最近采用一種稱為高熵摻雜的技術來制造一種分層的無鈷陰極，該陰極在重復的充電和放電循環中表現出極高的耐熱性和穩定性。

參與該項目的物理學和天文學教授忻獲麟（Huolin Xin）解釋說，電動汽車制造商希望減少電池中的鈷含量有幾個原因。首先，他們知道開采這些礦物會使用童工。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，鈷在高壓下會釋放氧氣，這可能會損壞電池。

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險就會更大。此外，高鎳陰極反復膨脹和收縮，這會導致應變，從而降低穩定性。這些因素綜合起來說明了鋰離子電池設計改進的迫切需要。

研究人員的創新之處在于混合了其他幾種元素。陰極內部包括鎂、鈦、錳、鉬和鈮。陰極表面有這些礦物質的子集。測試表明，這種陰極可以承受超過1,000次充電循環。該團隊希望這項工作能朝著更安全、更可持續的來源邁出一步。

降低火災風險

電動汽車需要人們養成新的習慣，比如記得給汽車充電，而不是依賴最近的加油站。無論如何，使用這些汽車越來越方便。特斯拉的超級充電樁只需半小時就能給汽車充滿電。

然而，電動汽車的總體缺點是，如果汽車著火，它們會給消防員帶來額外的挑戰——例如有毒煙霧和高壓電線。研究人員對如何降低火災發生的可能性很感興趣。成功的方法將使汽車對消費者更具吸引力，同時減少消防員面臨的普遍危險。

起火引發的后果

一個團隊在瑞士的測試隧道內進行了模擬，以確定電動汽車電池在隧道、地下停車場和其他建筑物中起火時會發生什么。他們的發現將有助于工程師改進鋰離子電池的設計。

例如，研究人員在通風隧道、封閉空間和裝有噴水滅火系統的房間內點燃電池單元。隨后，他們檢查了用于滅火的水中煙灰、煙氣和化學殘留物的擴散情況。

這些測試揭示了影響多個行業的重要結論。用于撲滅測試火災的水含有高達100倍的污染水平。因此，研究人員警告說，這些水在進入污水系統之前必須經過處理。此外，煙灰中含有重金屬，可能會導致未受保護的皮膚出現過敏反應。

這項工作對于確定電池火災對人口密集地區的影響也很重要。2023年上半年，美國紐約市發生了60多起鋰離子電池火災，造成5人死亡。該地區的另一起事故導致微型移動設備的鋰離子電池引發了附近一棟公寓樓的火災。人們越意識到這種后果，就越容易證明優先改進鋰離子電池設計以提高安全性是合理的。

防止火災的鋰電池？

鋰離子電池的電極間有電解液。然而，當電池過熱時，電解液會蒸發，導致短路。短路還會引發熱失控事件。在電動汽車電池等應用中，這一問題可能會惡化，因為電動汽車電池通常有多個相連的電池單元，熱失控事件可能會在這些電池單元之間蔓延。

傳感器和通風口等鋰離子電池設計特征可以降低熱失控概率，但它們通常會降低性能。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。如果發生這種情況，它將從傳輸器切換到絕緣體。這種轉變發生在大約91攝氏度，這是因為微觀圖案會分裂銅層，阻止電子流動并防止火災。

這項發明的循環壽命與傳統電池相似，導電性高，電阻率低。它為進一步研發高性能、安全的電池奠定了基礎。

這件事，很重要

電池在現代生活中應用十分廣泛，任何提高電池安全性的進展都值得關注。人們正在采取各種方法來提高電池的安全性，這也是積極的一面。許多方法仍處于早期階段，研究人員現在得到的經驗和教訓將幫助他們和其他人為未來類似的工作做出更好的決策。

與此相關的是，鋰離子電池設計中的安全性增強將對消費者產生積極影響。即使他們不了解使電源不易著火或爆炸的技術細節，他們也會感激使用這些產品時風險的降低。

大多數人每天都使用大量電池供電設備，以至于他們幾乎不會考慮那些雖然微不足道但確實存在的安全風險。然而，一旦出現問題，就會造成傷害、財產損失和死亡。世界對電池的依賴只會越來越大，因此以安全為中心的發展對于更安全的未來至關重要。