锂离子电池因撞击时硬化而无法着火
通常用于消费电子产品的锂离子电池因损坏或包装不当而爆炸成火焰而臭名昭着。这些事件偶尔会造成严重后果，包括烧伤，房屋火灾和至少一次飞机失事。受到某些液体在撞击时固化的奇怪行为的启发，研究人员开发出一种实用且廉价的方法来帮助防止这些火灾。
他们将于今天在美国化学学会（ACS）第256届全国会议和博览会上展示他们的成果。
“在锂离子电池中，一块薄薄的塑料将两个电极分开，”Gabriel Veith博士说。 “如果电池损坏且塑料层失效，电极可能会接触并导致电池的液体电解液着火。”
为了使这些电池更安全，一些研究人员改为使用不易燃的固体电解质。但是，这些固态电池需要对当前生产工艺进行重大改造，Veith说。作为替代方案，他的团队将添加剂混合到常规电解质中以产生抗冲击电解质。它在撞击时会凝固，如果电池在坠落或撞击过程中损坏，可防止电极接触。如果电极彼此不接触，则电池不会着火。更好的是，加入添加剂只需要对传统的电池制造工艺进行微小的调整。
当Veith和他的孩子们正在玩玉米淀粉和被称为oobleck的水混合时，这个项目的时刻来临了。 “如果你把混合物放在一个饼干托盘上，它会像液体一样流动，直到你开始戳它，然后变成一个固体，”Veith说，他是橡树岭国家实验室的一员，也是该项目的首席研究员。除去压力后，物质再次液化。 Veith意识到他可以利用这种可逆的“剪切增稠”行为来使电池更安全。
这种特性取决于胶体，胶体是液体中微小固体颗粒的悬浮液。在oobleck的情况下，胶体由悬浮在水中的玉米淀粉颗粒组成。对于电池胶体，Veith和他在橡树岭和罗切斯特大学的同事们使用悬浮在普通液体电解质中的二氧化硅来制造锂离子电池。他解释说，在撞击时，二氧化硅颗粒聚集在一起并阻挡了流体和离子的流动。研究人员使用完美的球形，200纳米直径的二氧化硅颗粒，或基本上是超细砂。 “如果你的颗粒尺寸非常均匀，那么这些颗粒就会均匀地分散在电解液中，而且效果非常好，”Veith说。 “如果它们的尺寸不均匀，那么液体在撞击时会变得不那么粘稠，这很糟糕。”
其他一些实验室一直在研究剪切增稠，以使电池更安全。一个团队之前报道过使用“气相”二氧化硅进行研究，该二氧化硅由微小的不规则二氧化硅颗粒组成另一组最近报道了使用棒状二氧化硅颗粒的效果。 Veith认为他的球形颗粒可能比棒状二氧化硅更容易制造，并且比气相二氧化硅具有更快的响应和更强的冲击阻力。
Veith的一项重大进展涉及电池的生产过程。在传统锂离子电池的制造过程中，在生产过程结束时将电解质喷射到电池壳中，然后将电池密封。 “你不能用剪切增稠的电解质来做到这一点，因为你尝试注射它的那一刻，就会凝固，”他说。研究人员通过在添加电解质之前将二氧化硅放置到位来解决这个问题他们正在寻求他们的技术专利。
在未来，Veith计划对系统进行改进，以便在碰撞中损坏的电池部分保持稳固，而其余部分电池将继续工作。该团队最初的目标是无人机电池等应用，但他们最终还是希望进入汽车市场。他们还计划制造更大版本的电池，这将能够阻止子弹。 Veith说，这可能使士兵受益，他们在执行任务时经常携带20磅的防弹衣和20磅的电池。 “电池将起到装甲的作用，这将使普通士兵减轻约20磅的重量。”
