加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師開發(fā)了一種安全特性，可以戒備鋰金屬電池在內(nèi)部短路時(shí)迅速升溫并著火。由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授劉平和他的博士生馬修岡薩雷斯領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在《先進(jìn)材料》雜志上發(fā)表了一篇論文，具體解析了他們的工作。鋰金屬電池在性能方面具有很大的潛力，但在目前的形式上很容易發(fā)生故障。

這是由于被稱為樹枝狀晶體的針狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)所致，該樹枝狀結(jié)構(gòu)在電池充電后在陽(yáng)極上形成，并且可以刺穿隔板，而隔板是在陽(yáng)極和陰極之間形成的屏障，可減慢能量和熱量的流動(dòng)。當(dāng)這個(gè)障礙被破壞并且電子可以更自由地流動(dòng)時(shí)，它們會(huì)出現(xiàn)更多的熱量，并且事情會(huì)失控，導(dǎo)致電池過熱、失效、著火甚至爆炸。

科學(xué)家們正在尋求以各種方式處理鋰金屬電池中的這些問題，其中使用超聲波或特殊的保護(hù)層來戒備枝晶生長(zhǎng)只是其中的幾種可能性。該團(tuán)隊(duì)對(duì)電池中被稱為隔膜的部分進(jìn)行了巧妙的調(diào)整，隔膜是電池正極和負(fù)極之間的屏障，這樣一來，當(dāng)電池短路時(shí)，電池內(nèi)部積聚的能量（也就是熱量）流動(dòng)就會(huì)減慢。論文第一作者岡薩雷斯說：“我們并不是試圖阻止電池故障的發(fā)生。我們只是讓電池變得更加安全，這樣當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，電池就不會(huì)災(zāi)難性地著火或”。

鋰金屬電池在反復(fù)充電后，陽(yáng)極上會(huì)出現(xiàn)樹突的針狀結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移，樹突生長(zhǎng)得足夠長(zhǎng)，穿透隔膜，在陽(yáng)極和陰極之間架起一座橋梁，導(dǎo)致內(nèi)部短路。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，兩個(gè)電極之間的電子流動(dòng)失去控制，導(dǎo)致電池立即過熱并停止工作。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組發(fā)明的隔板基本上緩解了這種現(xiàn)象。一面傾覆著一層薄的、部分導(dǎo)電的碳納米管網(wǎng)，它可以攔截任何形成的樹突。當(dāng)一個(gè)樹突刺穿隔膜并撞擊碳納米管網(wǎng)時(shí)，電子就有了一個(gè)通道，它們可以慢慢地排出，而不是一下子筆直沖向陰極。

岡薩雷斯將新的電池分離器比作大壩上的泄洪道。他說：“當(dāng)大壩開始潰決的時(shí)候，就會(huì)打開溢洪道，讓一些水以一種可控的方式流出來。這樣，當(dāng)大壩真的決堤并外溢的時(shí)候，就沒有多少水可以引發(fā)洪水了。這就是我們的分離器的想法，大幅降低電荷的排出速度，戒備電子“泛濫”到陰極。當(dāng)樹突被分離器的導(dǎo)電層攔截時(shí)，電池就會(huì)開始自我放電，這樣當(dāng)電池短路時(shí)，就沒有足夠的能量來出現(xiàn)危險(xiǎn)了。”其他的電池研究工作聚集在用足夠堅(jiān)固的材料來阻擋樹突的穿透來制造分離器。

但岡薩雷斯說，這種做法的一個(gè)問題是，它只是延長(zhǎng)了不可戒備的結(jié)果。這些分離器依然要有孔，讓離子通過，以便電池的工作。因此，當(dāng)樹突最終通過時(shí)，短路將變得更糟。在探測(cè)中，安裝了新分離器的鋰金屬電池在20到30次循環(huán)中顯示出逐漸失效的跡象。與此同時(shí)，電池與一個(gè)正常（和略厚）分離器經(jīng)歷猛然故障在一個(gè)周期。“在一個(gè)真切的用例場(chǎng)景中，你不會(huì)有任何有關(guān)電池即將失效的預(yù)先警告。前一秒可能還好，下一秒就會(huì)著火或完全短路。這是不可預(yù)測(cè)的，”岡薩雷斯說。“但有了我們的分離器，你就會(huì)提前得到警告，電池越來越差，越來越差，越來越差，每次充電都是如此。”雖然這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是鋰金屬電池，研究人員說，這種分離器也可以用于鋰離子和其他電池化學(xué)反應(yīng)。研究小組將致力于優(yōu)化分離器的商業(yè)使用。加州大學(xué)圣地亞哥分校已經(jīng)為研究申請(qǐng)了一項(xiàng)臨時(shí)專利。