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智能汽車鋰電池可預(yù)警起火征兆

發(fā)布時間: 2014-12-23 11:23:56    來源: 電池之家
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[摘要]為了解決安全隱患,斯坦福大學(xué)的科學(xué)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(xué)與工程學(xué)院副教授YiCui說:“我們的目標(biāo)是開發(fā)早期警報系統(tǒng),挽救生命和財產(chǎn)……”

 

  鋰電池不但是手機(jī)、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(yīng)用也日漸增加。

  但是鋰電池的發(fā)展不是一帆風(fēng)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(jìn)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(jī),因?yàn)椴ㄒ舭l(fā)現(xiàn)有兩臺飛機(jī)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(xué)的科學(xué)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(xué)與工程學(xué)院副教授YiCui說:“我們的目標(biāo)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(shí)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(fù)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DensyZhuo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(dāng)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(dá)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(jī)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(yīng)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(yù)測的枝晶位置吻合,該方法得到證實(shí)。

  Cui團(tuán)隊的博士后HuiWu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(jī)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(yù)測所有由短路導(dǎo)致的電池爆炸。”

 

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