锂电池热失控易起火怎么办？科学家发明了一种"反短路层"的新技术

2021年9月15日消息，新加坡南洋理工大学（NTUSingapore）的材料科学家找到了一种防止内部短路的方法，内部短路是锂（Li）离子电池起火的主要原因。

JasonXu教授（右）右手拿着一个短路的电池，以及一个采用新南大防短路层技术的锂离子电池。余凌辉博士（左后）手拿电池隔膜上的防短路层。：新加坡南大

每年生产数十亿个锂离子电池，用于手机、笔记本电脑、个人移动设备以及电动汽车和飞机的巨大电池组。

全球电池需求将会增长，到2030年仅电动汽车每年就需要价值2,700GWh的锂离子电池，相当于约2,250亿个手机电池。

即使估计故障率低于百万分之一，2020年新加坡仍有26起电动助力自行车起火和42起个人移动设备起火。

在大多数锂离子电池起火中，起火的原因是锂沉积物的积聚，称为枝晶（细小的线状卷须），当它们穿过电池的正（阴极）和负（阳极）电极之间的隔板时它正在充电，造成短路，导致不受控制的化学火灾。

为了防止这种短路的发生，材料科学与工程学院的徐志川教授和他的研究团队在隔膜上发明了一个额外的“防短路层”，防止任何枝晶到达阴极。

“我们知道，要让锂离子电池正常工作，锂离子必须能够在充电和放电循环期间在正极和负极之间移动，”南洋理工大学能源研究所(ERI@N)储能和可再生能源产业集群总监的徐教授解释说：“然而，锂离子的转移也意味着枝晶的形成对于目前的商用锂离子电池来说是不可避免的。”

我们没有阻止枝晶的形成，而是决定通过在隔膜上涂覆一层额外的导电材料来利用它们的内在特性，以便这些枝晶与之连接。一旦枝晶建立连接，它将无法继续它们的连接。进一步增长，从而阻止他们到达另一边。

“反短路层”的工作原理

锂离子电池可以比作图书馆中的两个书架，它们彼此相对（阴极和阳极），由通道（隔板）隔开。电池充电时，锂离子从阴极转移到阳极，放电时，锂离子反之。

南大的“反短层”类似于在过道中间的两个书架之间放置一个图书管理员的办公桌——这样当旧书的堆积到达图书管理员的办公桌（树突）时，它们就会停在那里，而图书管理员继续与对方互动。

徐教授的团队在实验室中对50多种不同锂离子电池成分的电池进行了测试，即使电池在其生命周期之外使用，在充电阶段也没有检测到短路。

防短路层是电池制造中常用的材料，可以轻松集成到当前的隔膜制造工艺中，便于企业采用和扩大规模。该团队估计，采用这项技术后的成本增加将比锂离子电池的现有生产成本高出5%左右。

NTU防短路层（右上方由镊子夹住）可防止锂离子电池发生短路。：新加坡南大

Durapower集团首席执行官KelvinLim对该技术的潜力发表了独立评论说：“这项技术突破对我们目前严重依赖锂离子电池的电动汽车和固定储能应用的业务具有重要意义。同时，这项新发明将有助于提高锂离子电池的安全性并延长其使用寿命，这意味着电动汽车的行驶里程更长，电池储能解决方案的运行时间更长。”

储能技术公司V-FlowTech首席执行官兼联合创始人AvishekKumar博士在独立发言时表示，“这项发明解决了锂离子储能解决方案中最关键的热失控问题，将证明成为大规模采用锂离子储能技术的最大推动者之一。”