通常用於消費電子產品的鋰離子電池因損壞或包裝不當而爆炸成火焰而臭名昭著。這些事件偶爾會造成嚴重後果，包括燒傷，房屋火災和至少一次飛機失事。受到一些液體在撞擊時固化的奇怪行為的啟發，研究人員開發出一種實用且廉價的方法來幫助防止這些火災。
他們將於今天在美國化學學會（ACS）第256屆全國會議和博覽會上展示他們的成果。
“在鋰離子電池中，一塊薄薄的塑料將兩個電極分開，”Gabriel Veith博士說。 “如果電池損壞且塑料層失效，電極可能會接觸並導致電池的液體電解液著火。”
為了使這些電池更安全，一些研究人員改為使用不易燃的固體電解質。但是，這些固態電池需要對當前生產工藝進行重大改造，Veith說。作為替代方案，他的團隊將添加劑混合到常規電解質中以產生抗衝擊電解質。它在撞擊時會凝固，如果電池在墜落或撞擊過程中損壞，可防止電極接觸。如果電極彼此不接觸，則電池不會著火。更好的是，加入添加劑只需要對傳統的電池製造工藝進行微小的調整。
當Veith和他的孩子們正在玩玉米澱粉和被稱為oobleck的水混合時，這個項目的時刻來臨了。 “如果你把混合物放在一個餅乾托盤上，它會像液體一樣流動，直到你開始戳它，然後變成一個固體，”Veith說，他是橡樹嶺國家實驗室的一員，也是該項目的首席研究員。除去壓力後，物質再次液化。 Veith意識到他可以利用這種可逆的“剪切增稠”行為來使電池更安全。
這種特性取決於膠體，膠體是液體中微小固體顆粒的懸浮液。在oobleck的情況下，膠體由懸浮在水中的玉米澱粉顆粒組成。對於電池膠體，Veith和他在橡樹嶺和羅切斯特大學的同事們使用懸浮在普通液體電解質中的二氧化矽來製造鋰離子電池。他解釋說，在撞擊時，二氧化矽顆粒聚集在一起並阻擋了流體和離子的流動。研究人員使用完美的球形，200納米直徑的二氧化矽顆粒，或基本上是超細砂。 “如果你的顆粒尺寸非常均勻，那麼這些顆粒就會均勻地分散在電解液中，而且效果非常好，”Veith說。 “如果它們的尺寸不均勻，那麼液體在撞擊時會變得不那麼粘稠，這很糟糕。”
其他一些實驗室一直在研究剪切增稠，以使電池更安全。一個團隊之前報導過使用“氣相”二氧化矽進行研究，該二氧化矽由微小的不規則二氧化矽顆粒組成另一組最近報導了使用棒狀二氧化矽顆粒的效果。 Veith認為他的球形顆粒可能比棒狀二氧化矽更容易製造，並且比氣相二氧化矽具有更快的響應和更強的衝擊阻力。
Veith的一項重大進展涉及電池的生產過程。在傳統鋰離子電池的製造過程中，在生產過程結束時將電解質噴射到電池殼中，然後將電池密封。 “你不能用剪切增稠的電解質來做到這一點，因為你嘗試注射它的那一刻，就會凝固，”他說。研究人員通過在添加電解質之前將二氧化矽放置到位來解決這個問題他們正在尋求他們的技術專利。
在未來，Veith計劃對系統進行改進，以便在碰撞中損壞的電池部分保持穩固，而其餘的電池將繼續工作。該團隊最初的目標是無人機電池等應用，但他們最終還是希望進入汽車市場。他們還計劃製造更大版本的電池，這將能夠阻止子彈。 Veith說，這可能使士兵受益，他們在執行任務時經常攜帶20磅的防彈衣和20磅的電池。 “電池將起到裝甲的作用，這將使普通士兵減輕約20磅的重量。”
