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美国学者提出聚合物电流收集器可防止起火 完善储能电池火灾危险

TIME : 2021-03-25

导读:美国国家可再生能源实验室(NREL)的一个研究小组提出了一种解决储能锂电池起火问题的新方法。答案的关键之处可能在于对温度敏感的电流收集器。


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当一根钉子打穿锂电池模组时,会发生什么?观察到这一过程的研究人员声称,他们已经开发出一种基于聚合物的方法,可以对抗锂离子电池固有的相关火灾危险。


来自美国国家可再生能源实验室(NREL)、美国宇航局(NASA)、伦敦大学学院、英国迪德科特的法拉第研究所、伦敦的国家物理实验室和法国的欧洲同步加速器的学者们,将钉子打入汽车应用中常用的圆柱形“18650电池”(尺寸为18x65mm)。研究人员试图重现电动汽车(EV)电池在碰撞中必须承受的机械应力。


钉子会触发电池内部的短路,从而导致其温度上升。为了更详细地研究当钉子穿透电池时,电池内部究竟发生了什么,研究人员使用了一台高速X射线摄像机,以每秒2000帧的速度捕捉这一事件。


NREL的工作人员科学家Donal Finegan说:“当电池真的发生故障时,它的故障速度非常快,所以它可以在几秒钟内从完全完好无损到被火焰吞噬并完全摧毁。速度非常快,非常难以理解这两秒钟内发生的事情。但了解到底发生了什么也非常重要,因为对这两秒钟的管理才是提高电池安全性的重要因素。”


如果不加以节制,引起的热失控的电池温升已被证明会超过800摄氏度。


电池单元包含铝和铜的集流器,研究小组使用涂有铝的聚合物来发挥同样的作用,并观察到他们的集流器在高温下收缩,随即立即逮捕电流的流动。短路热使聚合物收缩,反应在钉子和负极之间形成物理屏障,停止了短路。


在实验过程中,所有没有聚合物集流器的电池,如果钉子被打穿,就会爆燃。相比之下,装有聚合物的电池都没有表现出这种行为。


Finegan说:“电池发生灾难性故障的情况非常罕见,但当这种情况发生时,它可能会造成很大的破坏。不仅是对相关人员的安全和健康,对一个公司来说也是如此。”


考虑到正在集成电池单元的公司,NREL指出了其电池故障数据库,其中有数百个锂离子电池滥用测试产生的数百个放射视频和温度数据点。


Finegan说:“小型制造商并不总是有时间和资源来以我们在过去五到六年中如此严格的方式测试电池。”


俄罗斯的研究人员最近也萌生了利用聚合物来防止电池起火的想法。圣彼得堡大学电化学系教授Oleg Levin和同事开发出了一种使用聚合物的方法,并申请了专利,这种聚合物的电导率会随着热量或电压的变化而改变。该团队将这种方法称为“化学引信”。


据微锂电小组了解,目前,俄罗斯科学家的这种聚合物只适用于磷酸铁锂(LFP)电池,因为不同的阴极成分在不同的电压水平下工作。对于LFP电池来说就是3.2V。竞争对手的镍锰钴(NMC)阴极的工作电压则在3.7V至4.2V之间,这取决于NMC电池的类型。

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