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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新聚合物材料 可防止鋰電池起火
時間:2021-03-08 08:38來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源： 圣彼得堡大學(xué) ）
鋰離子電池存在起火風(fēng)險，給智能手機和電動汽車的運營帶來不確定性。據(jù)外媒報道，圣彼得堡大學(xué)電化學(xué)系教授Oleg Levin稱，從2012年到2018年，美國有25,000起由電子設(shè)備引發(fā)的火災(zāi)報道，而1999年至2012年間僅有1,013起。這表明隨著電池使用數(shù)量的增加，火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險也在不斷提高。
過度充電和短路是鋰離子電池起火或爆炸的主要原因。鋰離子電池在過度充電、短路后變得過熱，電池單元進入熱失控狀態(tài)，在溫度升高到70或90°C時會引起化學(xué)反應(yīng)，從而進一步升高溫度，引起火災(zāi)或爆炸。為了防止電池著火，人們采用相鄰的設(shè)備，如電子微電路，跟蹤電池的所有參數(shù)，并可在緊急情況下關(guān)閉電池。然而，大多數(shù)火災(zāi)的起因是電池制造存在缺陷，電子微電路發(fā)生故障。
Levin表示：“這說明基于化學(xué)反應(yīng)開發(fā)電池的安全策略對阻止電池組內(nèi)部的電流流動特別重要。我們建議使用特殊聚合物，其電導(dǎo)率可根據(jù)電池內(nèi)部電壓波動進行調(diào)節(jié)。若電池工作正常，該聚合物不會阻止電流流動；若電池過度充電、發(fā)生短路或電池電壓降至正常工作水平以下，該聚合物可轉(zhuǎn)變?yōu)楦綦x器，進入斷路器模式。”
他還表示，有些聚合物在加熱時會改變電阻。在實驗過程中，試驗人員發(fā)現(xiàn)，如果聚合物開始作為隔離器工作，則意味著電池已經(jīng)過熱，并已引起后續(xù)化學(xué)反應(yīng)，而該反應(yīng)無法僅通過破壞電路循環(huán)停止。這使得該技術(shù)效果甚微。因此，人們開始尋求新技術(shù)，如能夠在電池開始過熱前調(diào)節(jié)電壓的聚合物。
Oleg Levin負(fù)責(zé)的研究項目歷時兩年。在該技術(shù)開發(fā)前的六年里，科學(xué)家們對多種聚合物的物理和化學(xué)性質(zhì)進行了大量的基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)了一類能隨電壓改變電阻的聚合物。Levin表示：“開發(fā)“化學(xué)熔絲”最困難的是找到活性聚合物。聚合物種類繁多，但找到一種適合制造原型的聚合物卻非常難。此外，我們還必須通過開發(fā)工業(yè)版本提高技術(shù)水平，證明我們已經(jīng)提出了有效的電池安全策略。因此，我們必須購買大量新設(shè)備，以設(shè)計鋰離子電池原型和調(diào)整技術(shù)。”
該安全技術(shù)具備高可擴展性。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)保護電路的大小取決于電池電量。因此，電動汽車的動力電池通常體積龐大且昂貴。而該安全技術(shù)可輕易縮放“化學(xué)熔斷器”，可應(yīng)用于內(nèi)部集電器的整個表面。
Oleg Levin稱：“鋰離子電池的陰極有很多類型，如電子會通過帶正電的電極進入電子設(shè)備。它們還具有不同的工作電壓。因此，安全聚合物需可應(yīng)對不同類型的陰極。我們設(shè)法找到了這種聚合物，但它僅適用于特定一種電池，即磷酸鋰鐵電池。但改變聚合物的結(jié)構(gòu)可能會引起其導(dǎo)電性發(fā)生變化，從而適用于其他類型的陰極。通過在聚合物中添加安全成分以適應(yīng)電池溫度水平的變化，這種安全策略將會更加通用，有望消除與電池相關(guān)的所有火災(zāi)隱患。”
文章發(fā)表前，圣彼得堡大學(xué)已獲得此項技術(shù)的專利。科學(xué)家們目前正在制備真實尺寸的受保護電池模型，以向潛在投資者展示。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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