科技博闻｜电池安全话题不断，一文探讨如何改进？

锂离子电池的一些安全隐患源于制造锂离子电池所需组件的不稳定性，包括日益稀缺或位于冲突地区的矿物替代品。镍阴极就是这种情况，工程师经常用钴阴极代替镍阴极。后者的采购难度越来越大。然而，镍含量高的阴极具有机械和热不稳定性，使其安全性较低。

一个研究小组最近采用一种称为高熵掺杂的技术来制造一种分层的无钴阴极，该阴极在重复的充电和放电循环中表现出极高的耐热性和稳定性。

参与该项目的物理学和天文学教授忻获麟（Huolin Xin）解释说，电动汽车制造商希望减少电池中的钴含量有几个原因。首先，他们知道开采这些矿物会使用童工。其次，减少钴的用量可以帮助他们降低成本。这种矿物也有安全隐患——忻获麟解释说，钴在高压下会释放氧气，这可能会损坏电池。

忻获麟（Huolin Xin）教授

图源：UCI (University of California, Irvine) 官网

用镍基阴极制造锂离子电池也不是理想的选择。由于镍的耐热性低，电池材料更容易氧化，继而热失控事件或爆炸的风险就会更大。此外，高镍阴极反复膨胀和收缩，这会导致应变，从而降低稳定性。这些因素综合起来说明了锂离子电池设计改进的迫切需要。

研究人员的创新之处在于混合了其他几种元素。阴极内部包括镁、钛、锰、钼和铌。阴极表面有这些矿物质的子集。测试表明，这种阴极可以承受超过1,000次充电循环。该团队希望这项工作能朝着更安全、更可持续的来源迈出一步。

电动汽车需要人们养成新的习惯，比如记得给汽车充电，而不是依赖最近的加油站。无论如何，使用这些汽车越来越方便。特斯拉的超级充电桩只需半小时就能给汽车充满电。

然而，电动汽车的总体缺点是，如果汽车着火，它们会给消防员带来额外的挑战——例如有毒烟雾和高压电线。研究人员对如何降低火灾发生的可能性很感兴趣。成功的方法将使汽车对消费者更具吸引力，同时减少消防员面临的普遍危险。

一个团队在瑞士的测试隧道内进行了模拟，以确定电动汽车电池在隧道、地下停车场和其他建筑物中起火时会发生什么。他们的发现将有助于工程师改进锂离子电池的设计。

例如，研究人员在通风隧道、封闭空间和装有喷水灭火系统的房间内点燃电池单元。随后，他们检查了用于灭火的水中烟灰、烟气和化学残留物的扩散情况。

这些测试揭示了影响多个行业的重要结论。用于扑灭测试火灾的水含有高达100倍的污染水平。因此，研究人员警告说，这些水在进入污水系统之前必须经过处理。此外，烟灰中含有重金属，可能会导致未受保护的皮肤出现过敏反应。

这项工作对于确定电池火灾对人口密集地区的影响也很重要。2023年上半年，美国纽约市发生了60多起锂离子电池火灾，造成5人死亡。该地区的另一起事故导致微型移动设备的锂离子电池引发了附近一栋公寓楼的火灾。人们越意识到这种后果，就越容易证明优先改进锂离子电池设计以提高安全性是合理的。

图源：北京日报

锂离子电池的电极间有电解液。然而，当电池过热时，电解液会蒸发，导致短路。短路还会引发热失控事件。在电动汽车电池等应用中，这一问题可能会恶化，因为电动汽车电池通常有多个相连的电池单元，热失控事件可能会在这些电池单元之间蔓延。

传感器和通风口等锂离子电池设计特征可以降低热失控概率，但它们通常会降低性能。研究人员希望在不影响电池性能的情况下提高电池的安全性。因此，他们用导电铜喷雾覆盖了热敏形状记忆聚合物。

这种方法制成的材料除非变得异常热，否则可以正常传输电子。如果发生这种情况，它将从传输器切换到绝缘体。这种转变发生在大约91摄氏度，这是因为微观图案会分裂铜层，阻止电子流动并防止火灾。

这项发明的循环寿命与传统电池相似，导电性高，电阻率低。它为进一步研发高性能、安全的电池奠定了基础。

电池在现代生活中应用十分广泛，任何提高电池安全性的进展都值得关注。人们正在采取各种方法来提高电池的安全性，这也是积极的一面。许多方法仍处于早期阶段，研究人员现在得到的经验和教训将帮助他们和其他人为未来类似的工作做出更好的决策。

与此相关的是，锂离子电池设计中的安全性增强将对消费者产生积极影响。即使他们不了解使电源不易着火或爆炸的技术细节，他们也会感激使用这些产品时风险的降低。

大多数人每天都使用大量电池供电设备，以至于他们几乎不会考虑那些虽然微不足道但确实存在的安全风险。然而，一旦出现问题，就会造成伤害、财产损失和死亡。世界对电池的依赖只会越来越大，因此以安全为中心的发展对于更安全的未来至关重要。

（截止日期：2024年7月23日）