美國(guó)研發(fā)防撞防火鋰電池 遇外力刺激就會(huì)變硬

不管是筆記本電腦自燃、智能手機(jī)爆炸，這些 3C 意外似乎都直指鋰離子電池故障因素，讓不少人開(kāi)始擔(dān)心自己的手機(jī)是否暗藏爆炸風(fēng)險(xiǎn)。為減少大眾疑慮，現(xiàn)在已有許多科學(xué)家投入電池防爆技術(shù)，像是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)便打包票自家電池不會(huì)因?yàn)槭艿阶矒舳鸹穑喾吹?，其中的液態(tài)電解質(zhì)會(huì)變硬、防止電池變形爆炸。

鋰離子電池為儲(chǔ)能技術(shù)龍頭，主要由正極、負(fù)極、隔離膜與電解質(zhì)構(gòu)成，鋰離子則透過(guò)電解質(zhì)在電極兩端游移，其中隔離膜主要功能為隔絕正負(fù)極、防止電池自放電及兩極短路等問(wèn)題，但只要受到?jīng)_擊或是撞擊，可能都會(huì)造成電池短路或是爆炸。

目前已有科學(xué)家提出諸如固態(tài)電解質(zhì)等解決方案，但固態(tài)電池成本高、穩(wěn)定性較低，廠(chǎng)商也得大大改變電池生產(chǎn)工藝，因此美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一種既低成本又實(shí)用、受到撞擊反而會(huì)變堅(jiān)硬的電池。

該團(tuán)隊(duì)的靈感來(lái)自于兒童玩具“Oobleck”(歐不裂)，乍看之下它只是個(gè)裝有玉米淀粉溶液的塑料玩具，但只要拍打或是撞擊就會(huì)變硬。如果想要在家進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，也可以把玉米淀粉與水倒進(jìn)水盆，均勻攪拌之后就可以直接站在“水面”上、甚至在上方跳動(dòng)都不會(huì)沉入水中。

將粉末狀二氧化硅(藍(lán)色容器)添加到分離測(cè)試電池(金袋)內(nèi)的電極的聚合物層(白色片)中將防止鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)。(圖自：Gabriel Veith)

這種液體為非牛頓流體(non- Newtonian fluid)種類(lèi)中的“剪切增稠流體”，正常狀態(tài)下可保持液態(tài)，在受到?jīng)_擊或受力時(shí)液體結(jié)構(gòu)就改變，黏度、硬度與體積都會(huì)上升，可大大降低電池與電極變形的危險(xiǎn)。

不過(guò)該團(tuán)隊(duì)當(dāng)然不是在電池中添入玉米淀粉，他們?cè)陔娊赓|(zhì)加入二氧化硅來(lái)達(dá)到相似效果，研究負(fù)責(zé)人 Gabriel Veith 表示，電池電解質(zhì)受撞擊時(shí)會(huì)凝固，能防止電極在電池墜落與撞擊中損壞，假如電極無(wú)法相互接觸，電池就不容易起火。且該技術(shù)的好處在于，廠(chǎng)商只需要微調(diào)電池部分工藝即可。

傳統(tǒng)電池工藝是在電池完工之后，再注入電解質(zhì)并封裝，但若是采用剪切增稠流體技術(shù)，電解質(zhì)可能在注入途中就開(kāi)始凝固了，因此研究首先將二氧化硅顆粒放入電池，之后再添加電解質(zhì)。

Veith 指出，研究采用直徑約 200 納米的二氧化硅粒子，如果這些粒子尺寸相當(dāng)，就可均勻分布在電解質(zhì)中;若粒子尺寸不一，電解質(zhì)在電池受到撞擊時(shí)就不會(huì)變得黏稠了。

為了讓電池更加安全與實(shí)用，也有許多團(tuán)隊(duì)正如火如荼研發(fā)二氧化硅剪切增稠流體電池，但 Veith 認(rèn)為團(tuán)隊(duì)新型二氧化硅顆粒不管是在制造容易程度，還是抗阻力、反應(yīng)力等性能上都比以往的研究還要好。

未來(lái)該團(tuán)隊(duì)還會(huì)持續(xù)改善電池性能，希望電池在撞擊受損之后還可維持運(yùn)作，目前該技術(shù)首先會(huì)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)，最終目標(biāo)是用于電動(dòng)車(chē)。而團(tuán)隊(duì)也同時(shí)為美國(guó)士兵打造防彈電池，Veith 表示，美國(guó)軍人平均日攜帶各 8 公斤重的電池與防彈衣，如果可以讓電池用于防彈，軍人將可減少 8 公斤的負(fù)擔(dān)。