防止锂电池爆炸 科学家又出新招

昨天，一项在线发表于《科学进步》杂志的新研究显示：一种静电纺丝材料制成的核壳结构的分离器，其聚合物壳在高温下会发生溶解，释放出阻燃材料，可以有效防止锂电池起火燃烧。

锂电池，如今广泛应用于消费类电子设备，例如智能手机、平板电脑、智能硬件等等。另外，它也被认为是电动汽车的最有前途的能量来源之一。它具有能量密度高、循环性能稳定、绿色环保、使用寿命长等优点。

但是安全是阻碍锂电池发展的一个重要因素，近些年关于锂电池燃烧和爆炸的事故报道很频繁，例如三星galaxynote7爆炸、特斯拉电动汽车自燃、锂电池工厂起火等等。

那么，到底是什么引起锂电池燃烧的呢？目前，业界普遍认为锂电池的燃烧和高度易燃的有机电解液相关。这种易燃性电解液包含的安全隐患，是阻碍锂电池进一步发展和应用的主要瓶颈。

锂电池又是怎样发生燃烧的呢？例如，当锂电池发生内部或者外部短路后，其内部会在短时间内，释放出大量热量，温度极剧升高，导致热量失控。然后，这种易燃性的电解液会被点燃，最终导致电池起火或者爆炸。

目前，针对电解液易燃的问题，我在之前的文章中也曾介绍过一些解决方案例如使用固态电解质，开发固态锂电池，但是其成本较高。此外，还有就是使用新的能量供给方式，例如利用人体动能给电子设备提供能量，目前这个方案还处于实验室阶段。

另外一个很直接的方案就是在现有的电解液中增加阻燃剂。但是，为了完成阻燃性，就需要在电解液中添加大量的阻燃剂，这样会相应地降低电解液的离子导电性，显著影响锂电池的电化学性能和能量密度。

最近，美国斯坦福大学的研究人员，制造了一种新型“智能”静电纺丝分离器，它具有热量触发机制，内部含有阻燃剂，可用于防止锂离子电池燃烧。

在这种结构中，阻燃剂包装在聚合物保护壳的内部，以防阻燃剂直接溶解到电解液中，从而给电池性能造成负面影响。当锂电池内部的热量过高时，聚合物保护壳会因为高温而发生溶解，释放出阻燃剂，从而有效抑制高度易燃的电解液发生燃烧。

(A)这个独立的分离器由超细纤维组成，具有“核壳”结构，阻燃剂位于核心，聚合物是壳。阻燃剂的包装在聚合物保护壳的内部，以防直接溶解于电解液中给电池电化学性能带来副作用。

(B)当热量过高后触发，聚合物保护壳发生溶解，然后包装在内部的阻燃剂释放到电解液中，有效的阻止了电解液的点火和燃烧。

阻燃剂使用了一种廉价、功能强大的、普遍使用的材料“磷酸三苯酯”。在电池正常运行期间，阻燃剂会很好地包含在聚合物保护壳的内部，当分离器的温度高于一定温度时，聚合物外壳发生溶解。在实验中，阻燃剂完全扑灭电解液火灾只需0.4秒，锂电池0.3秒时着火，0.7秒时火被扑灭。

研究人员表明，未来的研究包括进一步进行这种分离器的相关测试，例如针对电气破坏现象：例如过度充电或者过度放电的测试；或者物理破坏现象例如：穿刺测试或者挤压测试。