WendyKoch著+李雨蒙譯

“懸浮滑板”是一種有趣的自平衡滑板車，卻會(huì)在使用中起火。有些大學(xué)和航空公司因此禁止使用或攜帶它們。至于起火的元兇就是鋰離子電池。這類電池應(yīng)用廣泛，尤其是消費(fèi)類電子產(chǎn)品，還曾導(dǎo)致電動(dòng)汽車和運(yùn)輸機(jī)起火。由于鋰離子電池存在過熱的風(fēng)險(xiǎn)，美國政府已經(jīng)大量召回了這類電池。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)的研究人員或許有了解決方案。他們?cè)谧罱黄诘摹蹲匀弧冯s志上發(fā)表研究成果，一種會(huì)在過熱前自動(dòng)關(guān)閉并在溫度下降后迅速重啟的鋰離子電池。合著的著名華裔化學(xué)家鮑哲楠指出，這種電池大規(guī)模生產(chǎn)的可能性非常之高，它大部分材料都是便宜的塑料和鎳，并且電池重啟后不會(huì)降低效率。

與此同時(shí)，全球各地的研究人員都在競相研發(fā)更優(yōu)秀更便宜的電池，因?yàn)槠涫袌鲂枨笳诓粩嘣黾?。由于新的?lián)合國氣候協(xié)議敦促各國改變對(duì)化石能源的依賴，更多通過電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車正在進(jìn)入市場，還有更多的太陽能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)施需要電池來儲(chǔ)存電力以備天氣不好的日子所需。

所以，全球科學(xué)家們研制出了性能各異的電池。比如最近，一個(gè)來自勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)稱，他們正在研究用新的方法來制造電池陰極以提升性能，陰極是電池的關(guān)鍵組成部分。由于鋰電池存在起火隱患，有些研究旨在降低電池起火的風(fēng)險(xiǎn)。去年，一個(gè)哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次發(fā)明了一種不易燃的流體電池，這種電池能在外部儲(chǔ)液罐中儲(chǔ)存電網(wǎng)級(jí)別的電能。而麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)表論文稱，用固體替代液體來作為電解液，以提高鋰離子電池的安全性。

有些研究者則在考慮將阻燃劑添加進(jìn)電解液中，攜帶帶電粒子的電解液位于電池兩極之間。去年，斯坦福工程師崔屹制造出一種“智能”電池，能在變得太熱之前預(yù)警。而本次研究的另一合著者崔屹則表示：“可是很遺憾，這些技術(shù)都是不可逆的，因此電池在過熱后會(huì)失效?！?/p>

為了解決這個(gè)重大問題，他和同事將目光轉(zhuǎn)向納米技術(shù)。鮑哲楠最近發(fā)明了一種用于監(jiān)測(cè)人體體溫的可穿戴式傳感器，這讓崔屹大受啟發(fā)。將傳感器嵌入鎳微粒材料，形成表面突出的金屬微粒。

傳統(tǒng)鋰離子電池的危險(xiǎn)性

高效能鋰離子電池是消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和電網(wǎng)能源儲(chǔ)備上最需要的。然而，鋰離子電池的能量密度、電力密度和周期數(shù)在過去20年中都得到了巨大的提升，電池安全卻依然存在著重要的隱患。而當(dāng)電池遭遇極端狀況，電池的高比能量密度能夠提升其積極反應(yīng)能力。

傳統(tǒng)的鋰離子電池（LIBS）是由易燃的有機(jī)電解質(zhì)和電極材料（通常為金屬氧化物）所組成，它們可以在熔點(diǎn)130℃-160℃下由多孔聚烯烴分離器分開。這樣的電池需要在高電壓下工作，超越了熱力學(xué)穩(wěn)定性。而大量的熱力聚集會(huì)導(dǎo)致短路或過度充電，電池隔板被融化，造成電池兩級(jí)和電解質(zhì)的放熱反應(yīng)，進(jìn)而形成毀滅性的“熱失控”。

安全電池的設(shè)計(jì)與特性

實(shí)驗(yàn)中，研究人員將聚合物薄膜與一個(gè)電極連接起來，這樣電流可以通過它。為了導(dǎo)電，那些凸起鎳顆粒需要彼此接觸。但在熱膨脹過程中，聚合物薄膜被拉伸，這些鎳顆粒就會(huì)相互分開，這使得薄膜不再導(dǎo)電，電流就不會(huì)通過電池。

然后，研究人員把電池加熱到70攝氏度以上后，聚合物薄膜迅速膨脹，鎳顆粒相互分開，電池不再工作。但是當(dāng)電池溫度回落到70攝氏度以下，聚合物薄膜收縮，鎳顆粒回到相互接觸狀態(tài)，電池開始繼續(xù)產(chǎn)生電流。他們甚至可以把溫度調(diào)高或降低，這取決于嵌入了多少鎳顆粒以及選擇哪種的聚合物材料。

溫敏性

鮑哲楠團(tuán)隊(duì)的研究相較于之前的轉(zhuǎn)換設(shè)備，對(duì)于溫度改變的敏感性高出103-104倍。溫敏性聚合物切換物（TRPS）快速且可逆的從內(nèi)部融進(jìn)電極中阻止熱失控現(xiàn)象。研究者將TRPS涂層加入至少一層的集電器中，形成混合集電器。并且依據(jù)改良后的量子穿隧效應(yīng)，由具有較高熱膨脹系數(shù)的、帶有石墨烯涂層的納米鎳粒子作為填充物和聚合物（比如半結(jié)晶聚合物）。這一設(shè)計(jì)的巧妙之處在于TRPS薄膜的傳輸價(jià)值，研究人員能夠通過調(diào)整它的組成結(jié)構(gòu)，滿足電池所需的溫度。

導(dǎo)電優(yōu)勢(shì)

這個(gè)組合的聚合物薄膜能夠在室溫條件下達(dá)到的高導(dǎo)電率。最重要的是，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)折溫度時(shí)，導(dǎo)電率能夠在1秒之內(nèi)降低7-8個(gè)數(shù)量級(jí)，在室溫下自然恢復(fù)工作。帶有自動(dòng)調(diào)節(jié)材料的電池裝置，能夠在異常狀態(tài)下快速熄滅，比如過熱和短路，在不減損性能或熱失控的狀況下重新正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際的電池模塊中，TRPS薄膜也能用于監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的溫度，并使外部控制系統(tǒng)進(jìn)行更深層的電池保護(hù)。一旦進(jìn)行干預(yù)，降至正常溫度，電池內(nèi)部的電阻就會(huì)恢復(fù)到較小值，而電池能夠再一次正常運(yùn)作。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室能源儲(chǔ)存聯(lián)合研究中心主任表示：“這項(xiàng)研究意義重大，鋰離子電池的安全性是電動(dòng)交通和電網(wǎng)的當(dāng)務(wù)之急，哪怕是概率很小的失控起火都會(huì)造成重大影響?！?/p>

同時(shí)，Crabtree也表示：“盡管斯坦福團(tuán)隊(duì)的新奇概念令人印象深刻并且頗有前途，但仍需在更大型的電池系統(tǒng)上經(jīng)過大量充放電周期的測(cè)試才能確保不會(huì)發(fā)生意外問題。鋰離子電池因?yàn)闆]有料到的組件副反應(yīng)而名聲不佳，而嵌有石墨烯涂層鎳微粒的聚合物薄膜就是一種全新的電池組件?！?/p>

盡管更安全的電池即將出爐，但企業(yè)家們也正在積極采用其他措施來避免電池起火。在少數(shù)特斯拉電動(dòng)汽車的電池因?yàn)榕鲎捕鴵p毀，并導(dǎo)致車輛起火后，公司聯(lián)合創(chuàng)始人埃隆·馬斯克宣布，將會(huì)為系列增加鈦合金底盤。

編譯自《自然》雜志