受够了手机电池爆炸，美国研发防撞防火锂电池

shuszhao · 发表于 2018-8-27 18:46:15

锂离子电池由正极、负极、隔离膜与电解质构成，锂离子则透过电解质在电极两端游移，其中隔离膜主要功能为隔绝正负极、防止电池自放电及两极短路等问题，但只要受到冲击或是撞击，可能都会造成电池短路或是爆炸……

不管是笔记本电脑自燃、智能手机爆炸，这些 3C 意外似乎都直指锂离子电池故障因素，让不少人开始担心自己的手机是否暗藏爆炸风险。为减少大众疑虑，现在已有许多科学家投入电池防爆技术，像是美国橡树岭国家实验室（ORNL）便打包票自家电池不会因为受到撞击而起火，相反地，其中的液态电解质会变硬、防止电池变形爆炸。
锂离子电池为储能技术龙头，主要由正极、负极、隔离膜与电解质构成，锂离子则透过电解质在电极两端游移，其中隔离膜主要功能为隔绝正负极、防止电池自放电及两极短路等问题，但只要受到冲击或是撞击，可能都会造成电池短路或是爆炸。
目前已有科学家提出诸如固态电解质等解决方案，但固态电池成本高、稳定性较低，厂商也得大大改变电池生产工艺，因此美国橡树岭国家实验室研发出一种既低成本又实用、受到撞击反而会变坚硬的电池。
该团队的灵感来自于儿童玩具“Oobleck”（欧不裂），乍看之下它只是个装有玉米淀粉溶液的塑料玩具，但只要拍打或是撞击就会变硬。如果想要在家进一步实验，也可以把玉米淀粉与水倒进水盆，均匀搅拌之后就可以直接站在“水面”上、甚至在上方跳动都不会沉入水中。

将粉末状二氧化硅（蓝色容器）添加到分离测试电池（金袋）内的电极的聚合物层（白色片）中将防止锂离子电池发生火灾。（图自：Gabriel Veith）
这种液体为非牛顿流体（non- Newtonian fluid）种类中的“剪切增稠流体”，正常状态下可保持液态，在受到冲击或受力时液体结构就改变，黏度、硬度与体积都会上升，可大大降低电池与电极变形的危险。
不过该团队当然不是在电池中添入玉米淀粉，他们在电解质加入二氧化硅来达到相似效果，研究负责人 Gabriel Veith 表示，电池电解质受撞击时会凝固，能防止电极在电池坠落与撞击中损坏，假如电极无法相互接触，电池就不容易起火。且该技术的好处在于，厂商只需要微调电池部分工艺即可。
传统电池工艺是在电池完工之后，再注入电解质并封装，但若是采用剪切增稠流体技术，电解质可能在注入途中就开始凝固了，因此研究首先将二氧化硅颗粒放入电池，之后再添加电解质。
Veith 指出，研究采用直径约 200 纳米的二氧化硅粒子，如果这些粒子尺寸相当，就可均匀分布在电解质中；若粒子尺寸不一，电解质在电池受到撞击时就不会变得黏稠了。
为了让电池更加安全与实用，也有许多团队正如火如荼研发二氧化硅剪切增稠流体电池，但 Veith 认为团队新型二氧化硅颗粒不管是在制造容易程度，还是抗阻力、反应力等性能上都比以往的研究还要好。
未来该团队还会持续改善电池性能，希望电池在撞击受损之后还可维持运作，目前该技术首先会应用于无人机，最终目标是用于电动车。而团队也同时为美国士兵打造防弹电池，Veith 表示，美国军人平均日携带各 8 公斤重的电池与防弹衣，如果可以让电池用于防弹，军人将可减少 8 公斤的负担。