“懸浮滑板”是一種有趣的自平衡滑板車，卻會在使用中起火。有些大學(xué)和航空公司因此禁止使用或攜帶它們。至于起火的元兇就是鋰離子電池。這類電池應(yīng)用廣泛，尤其是消費類電子產(chǎn)品，還曾導(dǎo)致電動汽車和運輸機起火。由于鋰電池存在過熱的風(fēng)險，美國政府已經(jīng)大量召回了這類電池。
現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)的研究人員或許有了解決方案。他們在最近一期的《自然》雜志上發(fā)表研究成果，一種會在過熱前自動關(guān)閉并在溫度下降后迅速重啟的鋰離子電池。合著的著名華裔化學(xué)家鮑哲楠指出，這種電池大規(guī)模生產(chǎn)的可能性非常之高，它大部分材料都是便宜的塑料和鎳，并且電池重啟后不會降低效率。
與此同時，全球各地的研究人員都在競相研發(fā)更優(yōu)秀更便宜的電池，因為其市場需求正在不斷增加。由于新的聯(lián)合國氣候協(xié)議敦促各國改變對化石能源的依賴，更多通過電池驅(qū)動的電動汽車正在進入市場，還有更多的太陽能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)施需要電池來儲存電力以備天氣不好的日子所需。
所以，全球科學(xué)家們研制出了性能各異的電池。比如最近，一個來自勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊稱，他們正在研究用新的方法來制造電池陰極以提升性能，陰極是電池的關(guān)鍵組成部分。由于鋰電池存在起火隱患，有些研究旨在降低電池起火的風(fēng)險。去年，一個哈佛大學(xué)團隊首次發(fā)明了一種不易燃的流體電池，這種電池能在外部儲液罐中儲存電網(wǎng)級別的電能。而麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)表論文稱，用固體替代液體來作為電解液，以提高鋰離子電池的安全性。
有些研究者則在考慮將阻燃劑添加進電解液中，攜帶帶電粒子的電解液位于電池兩極之間。去年，斯坦福工程師崔屹制造出一種“智能”電池，能在變得太熱之前預(yù)警。而本次研究的另一合著者崔屹則表示：“可是很遺憾，這些技術(shù)都是不可逆的，因此電池在過熱后會失效?！?
為了解決這個重大問題，他和同事將目光轉(zhuǎn)向納米技術(shù)。鮑哲楠最近發(fā)明了一種用于監(jiān)測人體體溫的可穿戴式傳感器，這讓崔屹大受啟發(fā)。將傳感器嵌入鎳微粒材料，形成表面突出的金屬微粒。
傳統(tǒng)鋰離子電池的危險性
高效能鋰離子電池是消費電子產(chǎn)品、電動汽車和電網(wǎng)能源儲備上最需要的。然而，鋰離子電池的能量密度、電力密度和周期數(shù)在過去20年中都得到了巨大的提升，電池安全卻依然存在著重要的隱患。而當(dāng)電池遭遇極端狀況，電池的高比能量密度能夠提升其積極反應(yīng)能力。
傳統(tǒng)的鋰離子電池(LIBS)是由易燃的有機電解質(zhì)和電極材料(通常為金屬氧化物)所組成，它們可以在熔點130℃-160℃下由多孔聚烯烴分離器分開。這樣的電池需要在高電壓下工作，超越了熱力學(xué)穩(wěn)定性。而大量的熱力聚集會導(dǎo)致短路或過度充電，電池隔板被融化，造成電池兩級和電解質(zhì)的放熱反應(yīng)，進而形成毀滅性的“熱失控”。
安全電池的設(shè)計與特性
實驗中，研究人員將聚合物薄膜與一個電極連接起來，這樣電流可以通過它。為了導(dǎo)電，那些凸起鎳顆粒需要彼此接觸。但在熱膨脹過程中，聚合物薄膜被拉伸，這些鎳顆粒就會相互分開，這使得薄膜不再導(dǎo)電，電流就不會通過電池。
然后，研究人員把電池加熱到70攝氏度以上后，聚合物薄膜迅速膨脹，鎳顆粒相互分開，電池不再工作。但是當(dāng)電池溫度回落到70攝氏度以下，聚合物薄膜收縮，鎳顆?；氐较嗷ソ佑|狀態(tài)，電池開始繼續(xù)產(chǎn)生電流。他們甚至可以把溫度調(diào)高或降低，這取決于嵌入了多少鎳顆粒以及選擇哪種的聚合物材料。
溫敏性
鮑哲楠團隊的研究相較于之前的轉(zhuǎn)換設(shè)備，對于溫度改變的敏感性高出103-104倍。溫敏性聚合物切換物(TRPS)快速且可逆的從內(nèi)部融進電極中阻止熱失控現(xiàn)象。研究者將TRPS涂層加入至少一層的集電器中，形成混合集電器。并且依據(jù)改良后的量子穿隧效應(yīng)，由具有較高熱膨脹系數(shù)的、帶有石墨烯涂層的納米鎳粒子作為填充物和聚合物(比如半結(jié)晶聚合物)。這一設(shè)計的巧妙之處在于TRPS薄膜的傳輸價值，研究人員能夠通過調(diào)整它的組成結(jié)構(gòu)，滿足電池所需的溫度。
導(dǎo)電優(yōu)勢
這個組合的聚合物薄膜能夠在室溫條件下達到的高導(dǎo)電率。最重要的是，當(dāng)達到轉(zhuǎn)折溫度時，導(dǎo)電率能夠在1秒之內(nèi)降低7-8個數(shù)量級，在室溫下自然恢復(fù)工作。帶有自動調(diào)節(jié)材料的電池裝置，能夠在異常狀態(tài)下快速熄滅，比如過熱和短路，在不減損性能或熱失控的狀況下重新正常的運轉(zhuǎn)。在實際的電池模塊中，TRPS薄膜也能用于監(jiān)測電池內(nèi)部的溫度，并使外部控制系統(tǒng)進行更深層的電池保護。一旦進行干預(yù)，降至正常溫度，電池內(nèi)部的電阻就會恢復(fù)到較小值，而電池能夠再一次正常運作。
美國阿貢國家實驗室能源儲存聯(lián)合研究中心主任表示：“這項研究意義重大，鋰離子電池的安全性是電動交通和電網(wǎng)的當(dāng)務(wù)之急，哪怕是概率很小的失控起火都會造成重大影響?！?
同時，Crabtree也表示：“盡管斯坦福團隊的新奇概念令人印象深刻并且頗有前途，但仍需在更大型的電池系統(tǒng)上經(jīng)過大量充放電周期的測試才能確保不會發(fā)生意外問題。鋰離子電池因為沒有料到的組件副反應(yīng)而名聲不佳，而嵌有石墨烯涂層鎳微粒的聚合物薄膜就是一種全新的電池組件?！?
盡管更安全的電池即將出爐，但企業(yè)家們也正在積極采用其他措施來避免電池起火。在少數(shù)特斯拉電動汽車的電池因為碰撞而損毀，并導(dǎo)致車輛起火后，公司聯(lián)合創(chuàng)始人埃隆˙馬斯克宣布，將會為系列增加鈦合金底盤。
原標(biāo)題:新型石墨烯薄膜鋰離子電池
