理解鋰離子電池為何會爆炸以及其潛在危險連鎖反應(yīng)，對增強其安全使用和完善運輸過程的設(shè)計非常重要。每年，數(shù)以億計的可充電電池都會被生產(chǎn)并運輸?shù)街付ㄎ恢茫鼈兪菫榇憩F(xiàn)代生活的手機、電腦、汽車和飛機提供電力不可或缺的一部分。盡管電池爆炸很少見，但是今年早些時候，三家航空公司宣稱他們將不再允許貨倉中攜帶鋰離子電池，因為美國聯(lián)邦航空管理局測試發(fā)現(xiàn)，電池可能導(dǎo)致過熱甚至引發(fā)重大火災(zāi)。
倫敦大學(xué)學(xué)院、歐洲同步輻射實驗室、倫敦帝國理工大學(xué)和英國國家物理實驗室對此共同研究的成果，發(fā)表在29日出版的《自然通信》雜志上，第一次實時演示了鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞變化過程。
論文第一作者、倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)工程博士生多納爾·法恩說：“我們將兩種不同類型的鋰離子電池暴露于異常高的溫度中，結(jié)合高能加速器X射線和熱成像技術(shù)，對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部溫度變化進(jìn)行成像。借助光子高通量快速成像探測儀，其捕捉三維圖像的速度可達(dá)幾分之一秒，我們拍攝了電池過熱并點燃的‘熱失控’瞬間。”
研究小組考察了在將兩塊商用鋰離子電池暴露于超過250攝氏度的環(huán)境中時，氣孔形成、通風(fēng)和增加的溫度對其內(nèi)部層結(jié)構(gòu)的影響。
結(jié)果顯示，電池內(nèi)部支持結(jié)構(gòu)在“熱失控”之前一直保持完好，但就在“熱失控”爆發(fā)的瞬間，內(nèi)部的銅材料融化導(dǎo)致溫度升高至1000攝氏度。熱量從內(nèi)部傳遞到外部直接導(dǎo)致了“熱失控”。
相反，沒有內(nèi)部支持結(jié)構(gòu)的電池在爆炸瞬間導(dǎo)致整個電池外殼與內(nèi)部分離，在“熱失控”之前，緊密連接的電池核心也崩潰了，增加了內(nèi)部短路和損毀附近物體的風(fēng)險。
此前，科研人員使用的X射線計算機斷層掃描(CT)只能用靜態(tài)圖像分析電池失效機理，在正常工作條件下監(jiān)測電池變化。
論文另一作者保爾·希爾潤說：“盡管我們只研究了兩塊商用電池，但結(jié)果顯示這種實時追蹤電池?fù)p毀三維圖像的方法多么有用。希望通過使用我們的方法，電池安全性能的設(shè)計能力可以被評估和改進(jìn)。”
研究人員計劃研究更多電池樣本，并探尋導(dǎo)致電池大面積失效的微觀層面原因。
總編輯圈點
相比鋰離子電池龐大的使用量，爆炸只是小概率事件，但卻給它帶來了“定時炸彈”的惡名。發(fā)熱甚至爆炸是鋰離子電池一個揮之不去的陰影。隨著電動汽車等發(fā)展，對大型鋰離子電池組的使用越來越多，更是放大了單塊電池的安全隱患，如某著名品牌電動車就多次發(fā)生電池起火事件。這將影響鋰離子電池的應(yīng)用，甚至產(chǎn)業(yè)的壽命和更迭：是改變現(xiàn)有設(shè)計消除安全隱患，還是尋找新的替代材料，成為一場與時間賽跑的游戲，成功取決于哪種方案有更快的研發(fā)速度。
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