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伦敦大学:首次实时监控锂离子电池爆炸

导读: 每年,数以亿计的可充电电池都会被生产并运输到指定位置,它们是为代表现代生活的手机、电脑、汽车和飞机提供电力不可或缺的一部分。

伦敦大学:首次实时监控锂离子电池爆炸

  锂离子电池过热并爆炸的时候会发生什么?据物理学家组织网29日报道,英国伦敦大学学院领导的科研小组首次用复杂的三维图像将电池爆炸时其内外发生的情况追踪下来。

  理解锂离子电池为何会爆炸以及其潜在危险连锁反应,对增强其安全使用和完善运输过程的设计非常重要。每年,数以亿计的可充电电池都会被生产并运输到指定位置,它们是为代表现代生活的手机、电脑、汽车和飞机提供电力不可或缺的一部分。尽管电池爆炸很少见,但是今年早些时候,三家航空公司宣称他们将不再允许货仓中携带锂离子电池,因为美国联邦航空管理局测试发现,电池可能导致过热甚至引发重大火灾。

  伦敦大学学院、欧洲同步辐射实验室、伦敦帝国理工大学和英国国家物理实验室对此共同研究的成果,发表在29日出版的《自然通信》杂志上,第一次实时演示了锂离子电池内部结构损坏变化过程。

  论文第一作者、伦敦大学学院化学工程博士生多纳尔·法恩说:“我们将两种不同类型的锂离子电池暴露于异常高的温度中,结合高能加速器X射线和热成像技术,对电池内部结构和外部温度变化进行成像。借助光子高通量快速成像探测仪,其捕捉三维图像的速度可达几分之一秒,我们拍摄了电池过热并点燃的‘热失控’瞬间。”

  研究小组考察了在将两块商用锂离子电池暴露于超过250摄氏度的环境中时,气孔形成、通风和增加的温度对其内部层结构的影响。

  结果显示,电池内部支持结构在“热失控”之前一直保持完好,但就在“热失控”爆发的瞬间,内部的铜材料融化导致温度升高至1000摄氏度。热量从内部传递到外部直接导致了“热失控”。

  相反,没有内部支持结构的电池在爆炸瞬间导致整个电池外壳与内部分离,在“热失控”之前,紧密连接的电池核心也崩溃了,增加了内部短路和损毁附近物体的风险。

  此前,科研人员使用的X射线计算机断层扫描(CT)只能用静态图像分析电池失效机理,在正常工作条件下监测电池变化。

  论文另一作者保尔·希尔润说:“尽管我们只研究了两块商用电池,但结果显示这种实时追踪电池损毁三维图像的方法多么有用。希望通过使用我们的方法,电池安全性能的设计能力可以被评估和改进。”

  研究人员计划研究更多电池样本,并探寻导致电池大面积失效的微观层面原因。

  总编辑观点:相比锂离子电池庞大的使用量,爆炸只是小概率事件,但却给它带来了“定时炸弹”的恶名。发热甚至爆炸是锂离子电池一个挥之不去的阴影。随着电动汽车等发展,对大型锂离子电池组的使用越来越多,更是放大了单块电池的安全隐患,如某著名品牌电动车就多次发生电池起火事件。这将影响锂离子电池的应用,甚至产业的寿命和更迭:是改变现有设计消除安全隐患,还是寻找新的替代材料,成为一场与时间赛跑的游戏,成功取决于哪种方案有更快的研发速度。

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