鋰離子電池不但是手機(jī)、筆記本等數(shù)碼設(shè)備上最常使用的儲(chǔ)能設(shè)備，它在汽車和領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸新增。

但是鋰離子電池的發(fā)展不是一帆風(fēng)順的。2006年，索尼品牌數(shù)十臺(tái)筆記本電腦發(fā)生起火事故，召回了幾百萬塊鋰離子電池。索尼透露，電池生產(chǎn)過程中，有微量的金屬雜質(zhì)進(jìn)入電池，引起短路，是起火的原因。

去年，波音公司曾一度停飛多架787飛機(jī)，因?yàn)椴ㄒ舭l(fā)現(xiàn)有兩臺(tái)飛機(jī)的電池組過熱起火。盡管之后電池組重新設(shè)計(jì)，但是起火原因仍未查明。

為了解決上述安全隱患，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家正在開發(fā)智能鋰離子電池，讓電池在過熱之前發(fā)出警報(bào)。材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授YiCui說：“我們的目標(biāo)是開發(fā)早期警報(bào)系統(tǒng)，挽救生命和財(cái)產(chǎn)。它可以探測電池正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的問題。但是沒法監(jiān)控故障電池(如撞車后的鋰離子電池)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況?！盋ui說目前鋰離子電池起火事故的發(fā)生概率為百萬分之一，考慮到手機(jī)電腦等電子產(chǎn)品數(shù)億臺(tái)的年銷量，事故總數(shù)仍然太高。我們希望將起火率降低到十億分之一或零。

常規(guī)鋰離子電池由兩個(gè)電極組成——碳氧極和鋰金屬氧化物陰極，中間是極薄的聚合物隔膜。假如隔膜受損，電池就會(huì)短路，點(diǎn)燃可燃的電解液。隔膜的材料和塑料水瓶相同，具有多孔結(jié)構(gòu)，鋰離子可以通過隔膜，實(shí)現(xiàn)電池充放電。

索尼公司發(fā)現(xiàn)工藝缺陷(如摻雜的金屬粒子、灰塵粒子)會(huì)刺穿隔膜、引起短路。短路還可能由過充電Overcharge造成。過充電指的是低溫下的過快充電。Cui說：“過充電會(huì)引起鋰離子在陽極堆積，出現(xiàn)鋰金屬枝晶。枝晶能刺穿多孔隔膜，長期發(fā)展還能接觸到陰極，引起電池短路。前幾年我們開始研發(fā)智能隔膜，它可以在枝晶接觸陰極之前檢測短路發(fā)生?！盋ui和他的同事在復(fù)合物隔膜一側(cè)覆蓋了一層銅膜，在陰極和陽極之間建立了第三個(gè)隔斷層。

Cui手下的研究生DensyZhuo說：“銅膜起到傳感器的用途。通過測量陽極和銅膜之間的電壓，當(dāng)枝晶生長過長，接觸銅膜時(shí)，電壓降到零。這就告訴你枝晶已跨越陰陽極間距的一半，也是換電池的警告，以防枝晶完全生長到達(dá)陰極并短路?！?/p>

枝晶生長最有可能發(fā)生在充電過程中，而不是電池使用(放電)過程中。Zhuo說：“用戶的手機(jī)可以收到報(bào)警消息，說電壓已經(jīng)降到零，要換電池。這給用戶留出更多時(shí)間作出反應(yīng)或逃生，而不是等到電池冒煙起火后，才手忙腳亂地滅火、換電池。把銅膜到陽極的距離縮短，枝晶會(huì)更早地將陽極和銅膜聯(lián)通，報(bào)警的靈敏度更高?！?/p>

除了觀察電壓下降水平之外，通過測量陰極和隔膜之間的電壓，研究人員還能得出枝晶生長的具體位置。顯微鏡觀看發(fā)現(xiàn)：隔膜破洞位置和預(yù)測的枝晶位置吻合，該方法得到證實(shí)。

Cui團(tuán)隊(duì)的博士后HuiWu說：“聚合物隔膜外層的銅膜厚度僅為50納米，比隔膜本身薄500倍。加上銅膜后，隔膜仍保持了足夠的彈性和多孔性，性能和常規(guī)隔膜相同，所以它幾乎不會(huì)影響鋰離子在陰極和陽極之間的流動(dòng)。額外的銅膜并不影響電池性能，但是巨大地提升了安全性?！?/p>

絕大多數(shù)鋰離子電池用于小型電子設(shè)備。Zhuo說：“但是電動(dòng)汽車和飛機(jī)電子設(shè)備越來越多地采用鋰離子電池，電池組越變?cè)酱螅踩愿又匾?。比如由幾千塊鋰離子電池組成的電池組，假如其中一塊發(fā)生爆炸，可能引起整個(gè)電池組的爆炸?！?/p>

早期警報(bào)技術(shù)還可用于鋅、鋁等其他金屬電池中。Cui說：“該技術(shù)可以用于預(yù)測所有由短路導(dǎo)致的電池爆炸。”