當塗在鋰離子電池電極上時，一種新型複合材料可以保護電池在過度充電或發生電氣短路時不會起火燃燒。斯坦福大學的研究人員在《自然·能源》創刊號上報告了這種材料，該材料可能導致更安全的鋰離子和其他型別電池的設計（2016，DOI：10.1038/nenergy.2015.9）。
鋰離子電池為包括智慧手機、電動汽車和懸浮滑板在內的裝置供電，很少會著火。行業專家估計，每1000萬個電池單元中，發生火災的次數少於1次，這還不包括電池濫用測試。然而，這些電池被廣泛使用並儲存了大量的能量，因此研究人員仍在努力透過提出更可靠的安全功能來防止這些不太可能發生的故障。
一些正在使用或正在開發的功能是基於電池內部的保護材料薄膜，這些薄膜會響應溫度升高而發生變化。材料的結構或其他特性的變化會阻止電流流動，從而使電池安全冷卻。其他策略則要求用抑制燃燒反應的化學新增劑來修改電池內部的電解液。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過 訂閱來支援我們屢獲殊榮的新聞報道。透過購買訂閱，您將有助於確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
但是這些薄膜和新增劑往往會導致不可逆的變化——一旦被啟用，電池就不能重複使用。或者，這些材料的效率不夠高，因為它們對溫度變化的反應太慢，或者只能在狹窄的電壓範圍內工作。
斯坦福大學的研究人員正在使用石墨烯塗層的鎳尖刺奈米顆粒來製造鋰離子電池，這種電池在過熱時會關閉，然後在冷卻後迅速重新啟動（1µ = 1微米）。
圖片來源：鄭晨，斯坦福大學
因此，由斯坦福大學的崔屹和鮑哲南領導的團隊開發了一種快速響應熱的材料，並將其用於塗覆鋰離子電池電極。該材料是一種複合材料，該團隊使用聚乙烯和塗有石墨烯以增強其電化學穩定性的尖刺鎳微粒製成的。
在製造過程中，該材料在室溫下表現出高導電性。但是，在達到臨界轉變溫度後的一秒鐘內，聚合物會膨脹，將尖刺顆粒推開。這種變化會導致電池導電率驟降七到八個數量級，從而立即關閉裝置。
與其他作為安全開關研究的材料相比，斯坦福大學的複合材料對溫度變化的敏感度高出 1000 多倍。此外，與其他開關材料不同，新的複合材料在電池冷卻後會恢復正常功能，電池也是如此。
在《自然·能源》的配套評論中，阿貢國家實驗室的電池安全專家 Khalil Amine 評論說，“這種方法提供了可靠性、快速響應時間和可逆性，而不會犧牲電池效能，這在以前的方法中很難實現。”
但他指出，該團隊僅在小型紐扣電池中評估了安全策略。在較大、較厚的電池（例如電動汽車中使用的電池）中，熱傳播可能不夠快，無法立即觸發開關材料關閉電池。因此，還需要進一步研究。
儘管如此，Amine 指出這項工作的材料設計“為解決高能量密度電池長期存在的安全問題提供了一種有希望的策略。”