智能汽车锂电池可预警起火征兆

锂电池不但是手机、笔记本等数码设备上最常使用的储能设备，它在汽车和航空领域的应用也日渐增加。

但是锂电池的发展不是一帆风顺的。2006年，索尼品牌数十台笔记本电脑发生起火事故，召回了几百万块锂电池。索尼透露，电池生产过程中，有微量的金属杂质进入电池，引起短路，是起火的原因。

去年，波音公司曾一度停飞多架787飞机，因为波音发现有两台飞机的电池组过热起火。尽管之后电池组重新设计，但是起火原因仍未查明。

为了解决上述安全隐患，斯坦福大学的科学家正在开发智能锂电池，让电池在过热之前发出警报。材料科学与工程学院副教授Yi Cui说：“我们的目标是开发早期警报系统，挽救生命和财产。它可以探测电池正常运转期间出现的问题。但是没法监控故障电池(如撞车后的锂电池)的运转情况。”Cui说目前锂电池起火事故的发生概率为百万分之一，考虑到手机电脑等电子产品数亿台的年销量，事故总数仍然太高。我们希望将起火率降低到十亿分之一或零。

常规锂电池由两个电极组成——碳氧极和锂金属氧化物阴极，中间是极薄的聚合物隔膜。如果隔膜受损，电池就会短路，点燃可燃的电解液。隔膜的材料和塑料水瓶相同，具有多孔结构，锂离子可以通过隔膜，实现电池充放电。

索尼公司发现工艺缺陷(如掺杂的金属粒子、灰尘粒子)会刺穿隔膜、引起短路。短路还可能由过充电Overcharge造成。过充电指的是低温下的过快充电。Cui说：“过充电会引起锂离子在阳极堆积，产生锂金属枝晶。枝晶能刺穿多孔隔膜，长期发展还能接触到阴极，引起电池短路。前几年我们开始研发智能隔膜，它可以在枝晶接触阴极之前检测短路发生。”Cui和他的同事在复合物隔膜一侧覆盖了一层铜膜，在阴极和阳极之间建立了第三个隔断层。

Cui手下的研究生Densy Zhuo说：“铜膜起到传感器的作用。通过测量阳极和铜膜之间的电压，当枝晶生长过长，接触铜膜时，电压降到零。这就告诉你枝晶已跨越阴阳极间距的一半，也是换电池的警告，以防枝晶完全生长到达阴极并短路。”

枝晶生长最有可能发生在充电过程中，而不是电池使用(放电)过程中。Zhuo说：“用户的手机可以收到报警消息，说电压已经降到零，需要换电池。这给用户留出更多时间作出反应或逃生，而不是等到电池冒烟起火后，才手忙脚乱地灭火、换电池。把铜膜到阳极的距离缩短，枝晶会更早地将阳极和铜膜联通，报警的灵敏度更高。”

除了观察电压下降水平之外，通过测量阴极和隔膜之间的电压，研究人员还能得出枝晶生长的具体位置。显微镜观看发现：隔膜破洞位置和预测的枝晶位置吻合，该方法得到证实。

Cui团队的博士后Hui Wu说：“聚合物隔膜外层的铜膜厚度仅为50纳米，比隔膜本身薄500倍。加上铜膜后，隔膜仍保持了足够的弹性和多孔性，性能和常规隔膜相同，所以它几乎不会影响锂离子在阴极和阳极之间的流动。额外的铜膜并不影响电池性能，但是巨大地提升了安全性。”

绝大多数锂离子电池用于小型电子设备。Zhuo说：“但是电动车和飞机电子设备越来越多地采用锂电池，电池组越变越大，安全性更加重要。比如由几千块锂离子电池组成的电池组，如果其中一块发生爆炸，可能引起整个电池组的爆炸。”

早期警报技术还可用于锌、铝等其他金属电池中。Cui说：“该技术可以用于预测所有由短路导致的电池爆炸。”