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穿刺试验也不会着火,聚合物集电体助力电池安全

2024-11-24 207


如果把钉子钉入锂离子电池会发生什么事?短路、过热最后起火或爆炸,不过这当然不是正常的电池使用方式。 美国国家再生能源实验室(NREL)为了研究研发更防火耐用的电池,透过如此极端的方式,以 2,000 帧镜头高速 X 光相机捕捉电池在异常状况发生的瞬间内部情况变化。

长期以来科学家们关注锂离子电池防火相关议题,希望能降低电池使用风险,以免发生莫名的火灾或是爆炸事件,NREL 则瞄准电池中的集电体(Current Collector),或许能用新型聚合物版本带来新契机,其中集电体又称双极板,正负极材料会附涂在两片集电体上,主要用来收集电流,做为电子的导体。

通常正极集电体以铝箔为主,负极集电体材料则是铜箔。而团队在研究电动车、航太应用颇为广泛的 18650 锂离子电池之后,发现或许将材料改为聚合物会比较安全。

电池会因为不正确使用或是短路故障引起热失控,运作温度超过工作温度范围,导致密封的电池起火爆炸,而团队想要在发生不可逆的热失控反应前,一发现“苗头不对”就赶紧打断,为此团队制造出全新的聚合物集电体(PCC),将铝材换成涂有铝层的聚合物。

团队研究指出,PCC 在加热环境时会收缩,形成一层物里屏障,阻止电流流动、自然不会短路。实验指出,在穿刺实验中,PCC 电池都没有着火,反观没有采用聚合物集电体的电池都起火了。科学家认为,这项研究可以提高聚合物集电体的研究信心。

NREL 科学家 Donal Finegan 指出,虽然钉子穿刺是种粗糙的实验方式,但也能借此观察电动车等设备承受撞击时,电池的机械损伤(mechanical abuse)状况。当电池故障时,会迅速被火焰吞噬,并在短短几秒内完全损坏。这一过程是如此迅速,我们很难理解在这两秒钟内所发生的事,若能加以了解将有助于提高电池的安全性。

  • Polymer current collectors could prevent battery fires
  • NREL-Developed Renewable Polyurethane Concept Takes Step Forward

(首图来源:NREL)

2021-03-25 22:51:00

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