防止鋰電池爆炸 科學家又出新招

導讀

昨天，一項在線發表於《科學進步》雜誌的新研究顯示：一種靜電紡絲材料製成的核殼結構的分離器，其聚合物殼在高溫下會發生溶解，釋放出阻燃材料，可以有效防止鋰電池起火燃燒。

背景

鋰電池，如今廣泛應用於消費類電子設備，例如智能手機、平板電腦、智能硬體等等。另外，它也被認為是電動汽車的最有前途的能量來源之一。它具有能量密度高、循環性能穩定、綠色環保、使用壽命長等優點。

安全

但是安全是阻礙鋰電池發展的一個重要因素，近些年關於鋰電池燃燒和爆炸的事故報道很頻繁，例如三星galaxy note 7爆炸、特斯拉電動汽車自燃、鋰電池工廠起火等等。

網友展示的三星note 7手機充電時發生爆炸的圖片

（圖片來源於網路）

那麼，到底是什麼引起鋰電池燃燒的呢？目前，業界普遍認為鋰電池的燃燒和高度易燃的有機電解液相關。這種易燃性電解液包含的安全隱患，是阻礙鋰電池進一步發展和應用的主要瓶頸。

鋰電池又是怎樣發生燃燒的呢？例如，當鋰電池發生內部或者外部短路後，其內部會在短時間內，釋放出大量熱量，溫度極劇升高，導致熱量失控。然後，這種易燃性的電解液會被點燃，最終導致電池起火或者爆炸。

方案

目前，針對電解液易燃的問題，我在之前的文章中也曾介紹過一些解決方案例如使用固態電解質，開發固態鋰電池，但是其成本較高。此外，還有就是使用新的能量供給方式，例如利用人體動能給電子設備提供能量，目前這個方案還處於實驗室階段。

另外一個很直接的方案就是在現有的電解液中增加阻燃劑。但是，為了完成阻燃性，就需要在電解液中添加大量的阻燃劑，這樣會相應地降低電解液的離子導電性，顯著影響鋰電池的電化學性能和能量密度。

創新

最近，美國斯坦福大學的研究人員，製造了一種新型「智能」靜電紡絲分離器，它具有熱量觸發機制，內部含有阻燃劑，可用於防止鋰離子電池燃燒。

在這種結構中，阻燃劑包裝在聚合物保護殼的內部，以防阻燃劑直接溶解到電解液中，從而給電池性能造成負面影響。當鋰電池內部的熱量過高時，聚合物保護殼會因為高溫而發生溶解，釋放出阻燃劑，從而有效抑制高度易燃的電解液發生燃燒。

這種新型靜電紡絲超細纖維分離器結構和功能示意圖如下：

（圖片來源於：Liu et al./斯坦福大學）

對於該圖的相關說明如下：

(A) 這個獨立的分離器由超細纖維組成，具有「核殼」結構，阻燃劑位於核心，聚合物是殼。阻燃劑的包裝在聚合物保護殼的內部，以防直接溶解於電解液中給電池電化學性能帶來副作用。

(B) 當熱量過高後觸發，聚合物保護殼發生溶解，然後包裝在內部的阻燃劑釋放到電解液中，有效的阻止了電解液的點火和燃燒。

另外，科學家在論文中還提及了該超細纖維分離器的材料的製造和顯微鏡下的示意圖：

（圖片來源於：Liu et al./斯坦福大學）

阻燃劑使用了一種廉價、功能強大的、普遍使用的材料「磷酸三苯酯」。在電池正常運行期間，阻燃劑會很好地包含在聚合物保護殼的內部，當分離器的溫度高於一定溫度時，聚合物外殼發生溶解。在實驗中，阻燃劑完全撲滅電解液火災只需0.4秒，如下圖所示鋰電池0.3秒時著火，0.7秒時火被撲滅。

未來

研究人員表明，未來的研究包括進一步進行這種分離器的相關測試，例如針對電氣破壞現象：例如過度充電或者過度放電的測試；或者物理破壞現象例如：穿刺測試或者擠壓測試。

參考資料

【1】http://advances.sciencemag.org/content/3/1/e1601978