穿刺試驗也不會著火,聚合物集電體助力電池安全

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 25 日 17:12 | 分類 能源科技 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


如果把釘子釘入鋰離子電池會發生什麼事?短路、過熱最後起火或爆炸,不過這當然不是正常的電池使用方式。 美國國家再生能源實驗室(NREL)為了研究研發更防火耐用的電池,透過如此極端的方式,以 2,000 幀鏡頭高速 X 光相機捕捉電池在異常狀況發生的瞬間內部情況變化。

長期以來科學家們關注鋰離子電池防火相關議題,希望能降低電池使用風險,以免發生莫名的火災或是爆炸事件,NREL 則瞄準電池中的集電體(Current Collector),或許能用新型聚合物版本帶來新契機,其中集電體又稱雙極板,正負極材料會附塗在兩片集電體上,主要用來收集電流,做為電子的導體。

通常正極集電體以鋁箔為主,負極集電體材料則是銅箔。而團隊在研究電動車、航太應用頗為廣泛的 18650 鋰離子電池之後,發現或許將材料改為聚合物會比較安全。

電池會因為不正確使用或是短路故障引起熱失控,運作溫度超過工作溫度範圍,導致密封的電池起火爆炸,而團隊想要在發生不可逆的熱失控反應前,一發現「苗頭不對」就趕緊打斷,為此團隊製造出全新的聚合物集電體(PCC),將鋁材換成塗有鋁層的聚合物。

團隊研究指出,PCC 在加熱環境時會收縮,形成一層物裡屏障,阻止電流流動、自然不會短路。實驗指出,在穿刺實驗中,PCC 電池都沒有著火,反觀沒有採用聚合物集電體的電池都起火了。科學家認為,這項研究可以提高聚合物集電體的研究信心。

NREL 科學家 Donal Finegan 指出,雖然釘子穿刺是種粗糙的實驗方式,但也能藉此觀察電動車等設備承受撞擊時,電池的機械損傷(mechanical abuse)狀況。當電池故障時,會迅速被火焰吞噬,並在短短幾秒內完全損壞。這一過程是如此迅速,我們很難理解在這兩秒鐘內所發生的事,若能加以了解將有助於提高電池的安全性。

(首圖來源:NREL