美国大学为锂金属电池打造“泄洪道” 电池短路时不会着火或爆炸

据外媒报道，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的纳米技术工程师们研发了一种安全功能，可以在锂金属电池内部短路时，防止其迅速升温并着火。该团队对电池中称为“隔膜”（电池阴阳极之间的屏障）的部分进行了巧妙调整，从而可以在电池短路时，让电池内部积聚的能量（即热量）的流动速度减慢。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

研究人员表示：“我们不是试图阻止电池发生故障，而是让其更加安全，这样一来，当电池发生故障时，不会着火或爆炸，产生灾难性后果。”

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

锂金属电池在反复充电后，阳极上会生长一种称为“树突”的针状结构，从而导致电池失效。随着时间推移，树突会长得越来越长，直到穿透隔膜，成为阳极和阴极接触的桥梁，从而导致电池内部短路。当此种情况发生时，两个电极之间的电子流动会失去控制，立马导致电池过热并停止工作。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

加州大学圣地亚哥分校的研究小组研发了一种隔膜，能够缓解此种情况。该隔膜的一面覆盖了一层薄薄的、可部分导电的碳纳米管网，可以拦截形成的树突。当一个树突刺破该隔膜，撞上该网时，有一个通道让电子慢慢排出，而不是直接一下子流到阴极。研究人员将该电池隔膜比作大坝上的泄洪道。

研究人员表示：“当大坝开始溃决时，人们就会打开泄洪道，让某些水以一种可控的方式流出，如此一来，当大坝真的决堤并往外溢出水时，也没有多少水可以引发成洪水了。这与我们研发的隔膜类似，我们慢慢排出电荷，防止电子“泛滥”到阴极。当树突被隔膜的导电层拦截时，该电池会开始自我放电，所以，当电池真的短路时，也没有足够的能量来引发危险情况了。”

其他的电池研究工作都集中于采用足够坚固的材料来打造隔膜，从而阻止树突穿透隔膜。但是，此种方法的问题是，只是拖长了无法避免的后果发生的时间。此类隔膜仍需要具备孔隙，让离子通过，从而让电池能够工作。因此，如果树突最终突破隔膜时，电池短路的情况只会更糟。加州大学圣地亚哥分校研究小组不是阻止树突穿透隔膜，而是试图减轻其带来的影响。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

在测试中，配备了新隔膜的锂金属电池在20至30次充放电循环之后才显示出逐渐失效的迹象。与此同时，配备普通（以及略厚）隔膜的电池仅在1次充放电循环后，就突然发生故障。

研究人员表示：“在真实用例中，如果电池即将失效，人们并不会提前收到预警。可能是前一秒还很好，下一秒电池就着火或完全短路了，这是不可预测的。但是，有了我们研发的隔膜，人们可以在每次充电时，提前得到电池越来越糟的预警。”

虽然此次研究的重点是锂金属电池，但研究人员表示，此种隔膜也可用于锂离子电池和其他化学成分组成的电池。该研究小组将继续优化该隔膜，以实现商用，而且加州大学圣地亚哥分校已经为该隔膜申请了一项临时专利。