化学家开发出一种新技术来防止锂离子电池着火

小组负责人兼圣彼得堡大学奥列格·莱文(Oleg Levin)电化学系教授说，锂离子电池着火的危险性在全球范围内广泛存在，这种故障对智能手机和电动汽车都可能产生严重影响。“从2012年到2018年，仅在报告了25,000起由各种设备引起的火灾。早在1999年至2012年，仅报告了1,013起。正在使用电池。”他说。

锂离子电池着火或爆炸的主要原因包括过度充电，短路等。结果，电池过热并且电池单元进入热失控状态。将温度升高到70或90°C会导致危险的化学反应，可能导致温度进一步升高，并因此引起火灾或爆炸。为了防止电池着火，我们可以使用相邻的设备，即电子微电路。它跟踪电池的所有参数，并在紧急情况下可以关闭电池。然而，大多数火灾是由于制造缺陷引起的电子微电路故障而引起的。

“这就是为什么基于化学反应来开发电池的安全策略以阻止电池组内部的电流流动特别重要。为此，我们建议使用一种特殊的聚合物。它的电导率可以调节如果电池工作正常，则聚合物不会阻止电流流动;如果电池过度充电，发生短路或电池电压降至正常工作水平以下，则聚合物进入一种所谓的隔离器，断路器模式。”莱文教授说。

莱文教授说，有些聚合物在加热时会改变电阻。我们在使用这种技术时(包括在圣彼得堡的公司中)遇到的问题是，如果聚合物开始作为隔离器工作，则意味着电池已经在过热，这导致危险的过程无法仅仅通过破坏而停止电路。这使得该技术远非有效。然而，这些进步引起了人们对寻找新技术的兴趣，这些新技术包括能够在电池开始过热之前调节电压的聚合物。

“我与曾在工业领域工作的电化学系研究生Evegenii Beletskii合作。他在电池安全系统的开发方面拥有丰富的经验。这对我们开展项目的实验部分非常有帮助，该部分专注于聚合物的工作原理。电化学系的研究生安娜·费多罗娃(Anna Fedorova)也在工业界工作。在该项目中，她主要关心计算材料的物理和化学性质。”

该项目历时两年。在该技术开发项目开始之前的六年中，科学家们进行了基础研究，以研究多种聚合物的物理和化学性质。他们发现了一类能随电压改变电阻的聚合物。这就是科学家关注的重点。

“开发“化学熔丝”时最困难的部分是找到一种活性聚合物。我们知道这类聚合物的种类繁多。然而，选择一种适合于制造原型的聚合物却很难破解。”莱文说。“此外，我们必须通过开发工业版本来提高技术水平，以表明我们已经提出了有效的电池安全策略的构想。因此，我们必须购买许多新设备，以进行原型设计和调整技术以与锂一起工作。离子电池。”

这种安全技术与众不同的是高可扩展性。例如，传统的调节保护电路有多大取决于电池的电量。因此，电动汽车的动力电池方案将既庞大又昂贵。缩放“化学熔断器”很简单，因为它被应用在内部集电器的整个表面上。

“锂离子电池使用不同类型的阴极，即电子进入电子设备所使用的带正电的电极。它们具有不同的工作电压。因此，安全聚合物应做出相应的反应。我们设法找到了一种适用于以下情况的聚合物：仅一种类型的电池，即磷酸锂铁电池。改变聚合物的结构可能会导致其导电性发生变化，从而使其适合当今市场上其他类型的阴极。通过在聚合物中添加安全成分以适应电池温度水平的变化，使这种安全策略更加通用。这有望消除与电池相关的所有火灾隐患。”

在发表该文章之前，圣彼得堡大学已获得此项技术的专利。科学家们目前正在准备一个真实尺寸的受保护电池模型，以向潜在投资者展示它们。

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