科学家开发出一种新技术来防止锂电池着火

小组负责人兼圣彼得堡大学电化学系教授奥列格·莱文（OlegLevin）说，锂离子电池着火的危险性在世界范围内广泛存在，这种故障对智能手机和电动汽车都可能造成严重影响。从2012年到2018年，仅在美国就报告了25,000起由各种设备引起的火灾。早些时候，从1999年到2012年，报告了1,013例。他说，着火事件的数量和所使用电池的数量都在增加。

锂离子电池着火或爆炸的主要原因包括过度充电，短路等。电池过热，并且电池单元进入热失控状态。将温度升高到70或90°C会导致危险的化学反应，可能导致温度进一步升高，并因此引起火灾或爆炸。为了防止电池着火，我们可以使用相邻的设备，即电子微电路。它跟踪电池的所有参数，并在紧急情况下可以关闭电池。然而，大多数火灾是由于制造缺陷引起的电子微电路故障而引起的。

这就是为什么基于化学反应来开发电池的安全策略以阻止电池组内部的电流流动特别重要的原因。为此，我们建议使用一种特殊的聚合物。它的导电性可以适应电池中的电压波动。如果电池正常工作，则聚合物不会阻止电流流动。如果电池过度充电，发生短路或电池电压降至正常工作水平以下，则聚合物会进入所谓的隔离器，断路器模式。

莱文教授说，有些聚合物在加热时会改变电阻。我们在使用这项技术时（包括在圣彼得堡的公司中）遇到的问题是，如果聚合物开始作为隔离器工作，则意味着电池已经过热，导致危险的过程无法仅仅通过破坏而停止电路。这使得该技术远非有效。然而，这些进步引起了人们对寻找新技术的兴趣，这些新技术包括能够在电池开始过热之前调节电压的聚合物。

“我与我在工业系电化学专业的研究生EvegeniiBeletskii合作。他在开发电池安全系统方面拥有丰富的经验。这有助于我们进行了该项目的实验部分，该部分侧重于聚合物的工作原理。电化学系的研究生安娜·费多罗娃（AnnaFedorova）也曾在工业界工作。在该项目中，她主要关心计算材料的物理和化学性质，”奥列格·莱文（OlegLevin）说。

该项目历时两年。在该技术开发项目开始之前的六年中，科学家们进行了基础研究，以研究多种聚合物的物理和化学性质。他们发现了一类能随电压改变电阻的聚合物。这就是科学家们关注的重点。

“开发“化学熔丝”的最困难的部分是找到一种活性聚合物。我们知道各种各样的此类聚合物。然而，选择一个合适的原型来制造原型是一件很难的事情，”奥列格·莱文（OlegLevin）说。``此外，我们必须通过开发工业版本来提高技术水平，以表明我们已经提出了有效的电池安全策略的想法。因此，我们不得不购买许多新设备，以进行原型设计和调整技术以与锂离子电池一起使用。”

这种安全技术与众不同的是高可扩展性。例如，传统的调节保护电路有多大取决于电池的电量。因此，电动汽车的动力电池方案将既庞大又昂贵。缩放“化学熔断器”很简单，因为它被应用在内部集电器的整个表面上。

锂离子电池使用不同类型的阴极，即带正电的电极，电子通过该电极进入电气设备。它们具有不同的工作电压。因此，安全聚合物应相应地反应。我们设法找到一种仅适用于一种电池的聚合物，即磷酸锂铁电池。改变聚合物的结构可能会导致其导电率发生变化，从而使其适合于当今市场上其他类型的阴极。我们对如何通过在聚合物中添加安全成分以适应电池温度水平的变化，使这种安全策略更具通用性有一些想法。预计这将消除与电池相关的所有火灾隐患，”奥列格·莱文（OlegLevin）说。

在发表该文章之前，圣彼得堡大学已获得此项技术的专利。科学家们目前正在准备一个真实尺寸的受保护电池模型，以向潜在投资者展示它们。