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！”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)測自身內(nèi)部是否短路，從而趕在電池過熱爆裂起火前，通過智能設(shè)備向主人發(fā)出警告。這項新技術(shù)可能造福于全世界數(shù)以億計的設(shè)備，包括手機、個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）進行了采訪。
“我們的目標(biāo)是創(chuàng)立一個報警系統(tǒng)，它能夠拯救生命，保障財產(chǎn)安全。”崔屹如是說，他同時表示：“這項技術(shù)可以檢測到電池正常使用過程中可能遇到的問題，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，一系列大事件使人們開始關(guān)注鋰電池的安全性：2013年，在兩架飛機的電池組起火后，波音公司暫停了它的飛行隊列計劃，而起火原因仍未查明；2006年，索尼公司曾召回數(shù)以百萬的鋰電池，起因是它們造成了十幾臺筆記本電腦起火——索尼表示這可能是因為在生產(chǎn)過程里，微小的金屬雜質(zhì)進入了電池內(nèi)部，造成了電池短路。
“倒霉事發(fā)生的概率也許只有萬分之一，但這仍然會是一個很大的問題。”崔屹說道，“考慮到現(xiàn)在數(shù)億級的個人電腦和手機銷量，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比較緊湊的電極：碳陽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隔離兩個電極。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。”一些制造上的缺陷，比如摻進金屬和灰塵顆粒可能刺穿隔膜并觸發(fā)短路——就如同2006年索尼所召回的那些鋰電池那樣。同時，如果電池過充，或者溫度太低，短路的情況也都有可能發(fā)生。崔屹對此解釋道：“過度充電會導(dǎo)致鋰離子在陽極堆積，形成被稱作‘樹枝晶’的鋰金屬。這種樹突可能會穿透多孔的聚合物隔離層，最終讓陽極與陰極接觸，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”生長時，不同位置的電壓差。銅鍍層能夠通過電壓差提前監(jiān)測到樹突的生長
過去的幾年里，崔屹和他的同事們一直在考慮建立一個智能反饋機制，監(jiān)測樹突是否到達陰極，從而能夠在短路之前發(fā)出警告。為了解決這個問題，他們在聚合物隔離層的一側(cè)安裝了一層銅納米層，來建立陰極與陽極之間的“第三電極”。“這層銅納米層就像一個傳感器，可以測量陽極和聚合物隔離層之間的電壓差。”卓解釋道，“當(dāng)樹突達到銅鍍層后，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)生長到銅鍍層那里了——作為一個警告，它告訴你電池已經(jīng)有些危險，有潛在的短路爆炸可能。”
樹突的生長最可能發(fā)生在電池的充電過程中。如果電壓差下降到零，用戶的智能設(shè)備上將會得到一條信息，告訴用戶可能得換電池或者拿去維修了。“這會給你足夠的準(zhǔn)備時間。”卓說道，“不過當(dāng)你看到電池冒煙或者起火，那就有點晚了。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，我的電池什么時候會有危險。”
除了監(jiān)測電壓差，它還能通過簡單測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，吳暉說道，“但銅鍍層同樣是多孔的，和隔離層一樣，并不會影響到鋰離子的流動。”他表示這層銅鍍層不會改變電池的性能，但可以保證電池盡可能的安全，并提前大約三小時通知用戶電池短路的危險。
銅鍍層可以通過監(jiān)測電壓差，提前大約三個小時通知電池短路的危險
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