鋰離子電池爆炸首次被實(shí)時(shí)“追蹤”

鋰離子電池過(guò)熱并爆炸的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么?據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)29日?qǐng)?bào)道，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的科研小組首次用復(fù)雜的三維圖像將電池爆炸時(shí)其內(nèi)外發(fā)生的情況追蹤下來(lái)。

理解鋰離子電池為何會(huì)爆炸以及其潛在危險(xiǎn)連鎖反應(yīng)，對(duì)增強(qiáng)其安全使用和完善運(yùn)輸過(guò)程的設(shè)計(jì)非常重要。每年，數(shù)以億計(jì)的可充電電池都會(huì)被生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫鼈兪菫榇憩F(xiàn)代生活的手機(jī)、電腦、汽車(chē)和飛機(jī)提供電力不可或缺的一部分。盡管電池爆炸很少見(jiàn)，但是今年早些時(shí)候，三家航空公司宣稱他們將不再允許貨倉(cāng)中攜帶鋰離子電池，因?yàn)槊绹?guó)聯(lián)邦航空管理局測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電池可能導(dǎo)致過(guò)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(shí)驗(yàn)室、倫敦帝國(guó)理工大學(xué)和英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(shí)時(shí)演示了鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞變化過(guò)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(shuō)：“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(duì)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(cè)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(guò)熱并點(diǎn)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(guò)250攝氏度的環(huán)境中時(shí)，氣孔形成、通風(fēng)和增加的溫度對(duì)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(méi)有內(nèi)部支持結(jié)構(gòu)的電池在爆炸瞬間導(dǎo)致整個(gè)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(xiǎn)。

此前，科研人員使用的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)只能用靜態(tài)圖像分析電池失效機(jī)理，在正常工作條件下監(jiān)測(cè)電池變化。

論文另一作者保爾·希爾潤(rùn)說(shuō)：“盡管我們只研究了兩塊商用電池，但結(jié)果顯示這種實(shí)時(shí)追蹤電池?fù)p毀三維圖像的方法多么有用。希望通過(guò)使用我們的方法，電池安全性能的設(shè)計(jì)能力可以被評(píng)估和改進(jìn)。”

研究人員計(jì)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(diǎn)

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(lái)了“定時(shí)炸彈”的惡名。發(fā)熱甚至爆炸是鋰離子電池一個(gè)揮之不去的陰影。隨著電動(dòng)汽車(chē)等發(fā)展，對(duì)大型鋰離子電池組的使用越來(lái)越多，更是放大了單塊電池的安全隱患，如某著名品牌電動(dòng)車(chē)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(jì)消除安全隱患，還是尋找新的替代材料，成為一場(chǎng)與時(shí)間賽跑的游戲，成功取決于哪種方案有更快的研發(fā)速度。