如果有一天，你的智能设备推送了一条紧急消息提示你：“主人注意，电池有爆炸危险！”这也许能减少不少锂电池爆炸所产生的危害。
斯坦福大学的科学家已经成功研制出了一种智能锂电池，它可以监测自身内部是否短路，从而赶在电池过热爆裂起火前，通过智能设备向主人发出警告。这项新技术可能造福于全世界数以亿计的设备，包括手机、个人电脑和其他种种电子产品，甚至正在发展中的汽车与航空锂电池。研究论文于今年10月发表在《自然》上。[1]果壳网就此对论文通讯作者，斯坦福大学材料科学与工程系助理教授崔屹（Yi Cui）进行了采访。
“我们的目标是创立一个报警系统，它能够拯救生命，保障财产安全。”崔屹对果壳网如是说，他同时表示：“这项技术可以检测到电池正常使用过程中可能遇到的问题，但并不适用于意外碰撞或者其他的事故损坏。”
索尼锂电池起火事件。图片来源：blogspot.com
近年来，一系列大事件使人们开始关注锂电池的安全性：2013年，在两架飞机的电池组起火后，波音公司暂停了它的飞行队列计划，而起火原因仍未查明；2006年，索尼公司曾召回数以百万的锂电池，起因是它们造成了十几台笔记本电脑起火——索尼表示这可能是因为在生产过程里，微小的金属杂质进入了电池内部，造成了电池短路。
“倒霉事发生的概率也许只有万分之一，但这仍然会是一个很大的问题。”崔屹说道，“考虑到现在数亿级的个人电脑和手机销量，电池起火可不是什么小事。而我们则希望把电池起火的可能性降低到十亿分之一，甚至，降到零。”
典型的锂电池有两个比较紧凑的电极：碳阳极和锂金属氧化物阴极。两者之间，有一层超薄聚合物隔层用来隔离两个电极。如果这一层聚合物有损坏，就可能导致电池的短路，并引燃那些用来给锂离子提供通路的电解质溶液。“这层隔层使用的材料和塑料瓶一样。”研究的共同作者丹尼斯·卓（Denys Zhuo）说道，“它是多孔的，可以让锂离子在电池的充电电极和放电电极之间流动。”一些制造上的缺陷，比如掺进金属和灰尘颗粒可能刺穿隔膜并触发短路——就如同2006年索尼所召回的那些锂电池那样。同时，如果电池过充，或者温度太低，短路的情况也都有可能发生。崔屹对此解释道：“过度充电会导致锂离子在阳极堆积，形成被称作‘树枝晶’的锂金属。这种树突可能会穿透多孔的聚合物隔离层，最终让阳极与阴极接触，导致短路。”
传统锂电池（a）和有铜镀层的锂电池（b）在“树突”生长时，不同位置的电压差。铜镀层能够通过电压差提前监测到树突的生长。图片来源：研究者提供。
过去的几年里，崔屹和他的同事们一直在考虑建立一个智能反馈机制，监测树突是否到达阴极，从而能够在短路之前发出警告。为了解决这个问题，他们在聚合物隔离层的一侧安装了一层铜纳米层，来建立阴极与阳极之间的“第三电极”。“这层铜纳米层就像一个传感器，可以测量阳极和聚合物隔离层之间的电压差。”卓解释道，“当树突达到铜镀层后，铜镀层和隔离层之间的电压差下降到零，我们就能知道，树突已经生长到铜镀层那里了——作为一个警告，它告诉你电池已经有些危险，有潜在的短路爆炸可能。”
树突的生长最可能发生在电池的充电过程中。如果电压差下降到零，用户的智能设备上将会得到一条信息，告诉用户可能得换电池或者拿去维修了。“这会给你足够的准备时间。”卓说道，“不过当你看到电池冒烟或者起火，那就有点晚了。这就是为什么我们希望做出这种设备：它让你能提前知道，我的电池什么时候会有危险。”
除了监测电压差，它还能通过简单测量隔离层与阴极之间的电阻，从而查明树突是否已经突破了铜镀层。“相对聚合物隔离层，铜镀层只有50纳米厚，是隔离层的五百分之一。”该研究的作者之一，吴晖说道，“但铜镀层同样是多孔的，和隔离层一样，并不会影响到锂离子的流动。”他表示这层铜镀层不会改变电池的性能，但可以保证电池尽可能的安全，并提前大约三小时通知用户电池短路的危险。
铜镀层可以通过监测电压差，提前大约三个小时通知电池短路的危险。图片来源：研究者提供。
如今，大多数锂电池被使用在小型电子设备上。不过随着电动车市场的扩大，以及机载电子设备对锂电池的需求，崔屹表示希望将自己的研究应用在这些领域里，以免之后更大的安全问题。“数以千计的锂电池已经装配在了汽车上，甚至有很多是电池组。”崔屹补充道，“一旦一个电池爆炸，产生的连锁反应将不堪设想。这种报警技术同样有用在锌、铝和其他金属电池里的潜力。它适用于任何电池，让你能够在电池爆炸之前检测到。”（编辑：Jerrusalem）
参考文献
- Hui Wu, Denys Zhuo1,Desheng Kong & Yi Cui (2014) Improving battery safety by early detection of internal shorting with a bifunctional separator Nature Communications