2021年9月15日消息，新加坡南洋理工大學(xué)（NTUSingapore）的材料科學(xué)家找到了一種防止內(nèi)部短路的方法，內(nèi)部短路是鋰（Li）離子電池起火的主要原因。

JasonXu教授（右）右手拿著一個(gè)短路的電池，以及一個(gè)采用新南大防短路層技術(shù)的鋰離子電池。余凌輝博士（左后）手拿電池隔膜上的防短路層。：新加坡南大

每年生產(chǎn)數(shù)十億個(gè)鋰離子電池，用于手機(jī)、筆記本電腦、個(gè)人移動(dòng)設(shè)備以及電動(dòng)汽車和飛機(jī)的巨大電池組。

全球電池需求將會(huì)增長(zhǎng)，到2030年僅電動(dòng)汽車每年就需要價(jià)值2,700GWh的鋰離子電池，相當(dāng)于約2,250億個(gè)手機(jī)電池。

即使估計(jì)故障率低于百萬分之一，2020年新加坡仍有26起電動(dòng)助力自行車起火和42起個(gè)人移動(dòng)設(shè)備起火。

在大多數(shù)鋰離子電池起火中，起火的原因是鋰沉積物的積聚，稱為枝晶（細(xì)小的線狀卷須），當(dāng)它們穿過電池的正（陰極）和負(fù)（陽(yáng)極）電極之間的隔板時(shí)它正在充電，造成短路，導(dǎo)致不受控制的化學(xué)火災(zāi)。

為了防止這種短路的發(fā)生，材料科學(xué)與工程學(xué)院的徐志川教授和他的研究團(tuán)隊(duì)在隔膜上發(fā)明了一個(gè)額外的“防短路層”，防止任何枝晶到達(dá)陰極。

“我們知道，要讓鋰離子電池正常工作，鋰離子必須能夠在充電和放電循環(huán)期間在正極和負(fù)極之間移動(dòng)，”南洋理工大學(xué)能源研究所(ERI@N)儲(chǔ)能和可再生能源產(chǎn)業(yè)集群總監(jiān)的徐教授解釋說：“然而，鋰離子的轉(zhuǎn)移也意味著枝晶的形成對(duì)于目前的商用鋰離子電池來說是不可避免的。”

我們沒有阻止枝晶的形成，而是決定通過在隔膜上涂覆一層額外的導(dǎo)電材料來利用它們的內(nèi)在特性，以便這些枝晶與之連接。一旦枝晶建立連接，它將無法繼續(xù)它們的連接。進(jìn)一步增長(zhǎng)，從而阻止他們到達(dá)另一邊。

“反短路層”的工作原理

鋰離子電池可以比作圖書館中的兩個(gè)書架，它們彼此相對(duì)（陰極和陽(yáng)極），由通道（隔板）隔開。電池充電時(shí)，鋰離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極，放電時(shí)，鋰離子反之。

南大的“反短層”類似于在過道中間的兩個(gè)書架之間放置一個(gè)圖書管理員的辦公桌——這樣當(dāng)舊書的堆積到達(dá)圖書管理員的辦公桌（樹突）時(shí)，它們就會(huì)停在那里，而圖書管理員繼續(xù)與對(duì)方互動(dòng)。

徐教授的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)50多種不同鋰離子電池成分的電池進(jìn)行了測(cè)試，即使電池在其生命周期之外使用，在充電階段也沒有檢測(cè)到短路。

防短路層是電池制造中常用的材料，可以輕松集成到當(dāng)前的隔膜制造工藝中，便于企業(yè)采用和擴(kuò)大規(guī)模。該團(tuán)隊(duì)估計(jì)，采用這項(xiàng)技術(shù)后的成本增加將比鋰離子電池的現(xiàn)有生產(chǎn)成本高出5%左右。

NTU防短路層（右上方由鑷子夾住）可防止鋰離子電池發(fā)生短路。：新加坡南大

Durapower集團(tuán)首席執(zhí)行官KelvinLim對(duì)該技術(shù)的潛力發(fā)表了獨(dú)立評(píng)論說：“這項(xiàng)技術(shù)突破對(duì)我們目前嚴(yán)重依賴鋰離子電池的電動(dòng)汽車和固定儲(chǔ)能應(yīng)用的業(yè)務(wù)具有重要意義。同時(shí)，這項(xiàng)新發(fā)明將有助于提高鋰離子電池的安全性并延長(zhǎng)其使用壽命，這意味著電動(dòng)汽車的行駛里程更長(zhǎng)，電池儲(chǔ)能解決方案的運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。”

儲(chǔ)能技術(shù)公司V-FlowTech首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人AvishekKumar博士在獨(dú)立發(fā)言時(shí)表示，“這項(xiàng)發(fā)明解決了鋰離子儲(chǔ)能解決方案中最關(guān)鍵的熱失控問題，將證明成為大規(guī)模采用鋰離子儲(chǔ)能技術(shù)的最大推動(dòng)者之一。”