美研发新型电解质防锂电池短路起火

在8月22日由美国化学学会（ACS）举办的第256届全国会议暨博览会(ACS)上，美国橡树岭国家实验室与罗切斯特大学研究人员展出了一种新型防火的锂电池，其电解液在遭到撞击时能够自发由液体变为固态，防止锂电池在破裂时起火。

锂电池一般由正负电极与电解液组成，置于电动汽车里的锂电池一旦遭受猛烈撞击，用于分隔正负极的薄层塑料便容易破裂，电池短路后化学反应放出的热量会导致电池温度升高，易引起火灾等事故。多年来，研究人员采取了多种办法降低锂电池起火的危险性，包括用不易燃的固体、向电解质中加入特定物质等。

目前，以固体作为电解液的锂电池通常使用的是塑料或陶瓷材料，但由于固体电解液流动性较差，其充放电效率更低，一些公司也在尝试用半固态电解质或玻璃状电解质制造电池。

该实验负责人Gabriel Veith与其同事在这项研究中，制造了一种能够进行液固转变的电解质，正常使用时电解质能够以液体的形式进行充放电，具有良好的导电稳定性，而在受到外界压力时，比如电池被压碎或穿透时，电解液就会变成固体，阻止了正负极化学物质混合导致的大量放热，从而达到预防起火的目的。

之所以能够将电解液从液体变为固体，Gabriel Veith表示，这个想法是受到了悬浮于水中的玉米淀粉的启发。当人们将玉米淀粉放入水中进行搅拌，刚开始并不费力气，但之后会越来越浓稠，玉米淀粉颗粒会粘到一起，逐渐变成难以搅动的固体。具有这种特征的流体被称作剪切增稠液。研究人员将200纳米大小的二氧化硅颗粒加入液体电解液中，作为锂离子的稀释溶剂。在受到冲击时，这些二氧化硅球状颗粒会像玉米淀粉颗粒一样“粘”到一起，变成难以穿透的固体材料。

“加入的二氧化硅颗粒大小需要保证一致且精确，”Gabriel Veith说，“但二氧化硅的作用不仅在于形成固体，更能够吸收电池放出的热量，进一步降低了锂电池起火的可能性。”

使用剪切增稠液作为锂电池电解液并不是该实验室首创。据了解，此前有研究小组报道了将不规则形状或杆状的二氧化硅颗粒加入电解液中，但研究人员认为，这项研究中使用的球形二氧化硅颗粒的制备更容易，并比不规则形状的颗粒有更快的应变能力。

另外，这项成果也为锂电池的生产过程提供了新思路。在传统锂离子电池的制造过程中，电解液通常是在生产过程的最后一步注入电池外壳，再进行电池密封。如果使用剪切增稠液作为电解液，Gabriel Veith表示，它将在注入之前就凝固成固体。研究人员采用了一种新工艺，将二氧化硅纳米颗粒先放入电池的固定部位，再加入液态的电解液，解决了这一问题。

据悉，该研究小组计划进一步改进这个系统，尝试让电池能够在碰撞后受损的部分保持稳定，其余的部分能够继续工作。该团队最初的目标是应用于无人机电池，但他们最终希望进入汽车市场。

（李丽旻）