為什麼電池有時會著火和爆炸？

主要要點

• 科學家對於為什麼熱失控雖然罕見，但可能導致靜止電池過熱並著火有了新的見解。

• 為了更好地了解靜止電池在快速充電後如何可能經歷熱失控，科學家們使用了一種稱為“操作性X射線微斷層成像”的技術，來測量鋰離子電池在充電後的粒子層級電量變化。

• 這項工作首次顯示，即使在外部電流測量為零的情況下，也能直接測量靜止電池內部的電流。

• 仍需進行大量工作，才能將這些研究結果用於改進安全協議。

那麼，電動汽車電池自燃和爆炸的可能性有多大？事實上，這種情況的機會相當小：一些分析師表示，燃油車起火的幾率幾乎是電動汽車的30倍。但最近電動汽車停放時著火的消息，使許多消費者和研究人員感到困惑，不明白這些罕見事件是如何可能發生的。

研究人員早已知道高電流會導致“熱失控”——一種可能使電池過熱、著火並爆炸的連鎖反應。但由於沒有可靠的方法來測量靜止電池內部的電流，因此尚不清楚為什麼某些電池即使在電動車停放時也會發生熱失控。

現在，通過使用稱為“操作性X射線微斷層成像”的成像技術，洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和加州大學伯克利分校的科學家已證明，快速充電後靜止電池內部存在的大量局部電流可能是熱失控的原因之一。他們的研究結果發表在《ACS Nano》期刊上。

“我們是第一個捕獲充電後鋰離子電池內部電荷狀態在粒子層級變化的實時3D影像的團隊，”該研究的資深作者尼塔什·P·巴爾薩拉（Nitash P. Balsara）表示。巴爾薩拉是伯克利實驗室材料科學部的資深科學家，並且是加州大學伯克利分校的化學和生物分子工程教授。

“這項研究的興奮之處在於，尼塔什·巴爾薩拉的團隊不僅僅是在觀察影像，他們還利用這些影像來確定電池如何隨時間變化。這項研究是多年工作的積累，”合著者、伯克利實驗室先進光源（ALS）光子科學操作副主任迪爾沃斯·Y·帕金森（Dilworth Y. Parkinson）說。

該團隊還是第一個測量電池電極內部粒子層級的離子電流的團隊。

測量電池內部電流

在鋰離子電池中，電極的負極成分主要由石墨組成。當健康的電池緩慢充電時，鋰離子會在電極的石墨層之間編織成網。相比之下，當電池快速充電時，鋰離子則傾向於以鋰金屬的形式沉積在石墨顆粒的表面。

“快速充電後，電池靜置時發生的情況有些神秘，”巴爾薩拉表示。但是新研究所用的方法揭示了重要的線索。

在ALS進行的由第一作者亞歷克·S·霍（Alec S. Ho）主導的實驗表明，當石墨“完全鋰化”或完全充電時，其體積會微微膨脹，約變化10%——而且可以通過追踪電極內部的局部鋰化來確定電池內的電流。（霍最近完成了他在巴爾薩拉團隊的博士學位。）

傳統的電壓計會告訴你，如果電池關閉並且從充電站和電動馬達中斷開，則電池中的整體電流為零。

但在這項新研究中，研究團隊發現，電池在十分鐘內充電後，靜止電池中的局部電流（或在粒子層級的電流）卻出乎意料地大。帕金森在ALS的3D微斷層成像儀器使研究人員能夠確定電池內部哪些顆粒是生成高達25毫安每平方厘米的驚人電流密度的“異常值”。相比之下，在10分鐘內充電所需的電流密度為18毫安每平方厘米。

研究人員還發現，測量到的內部電流在約20分鐘內大幅減少。在他們的方法得到充分測試之前，仍需進行大量工作，以便用於改進安全協議。

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Meta Description: 本文探討了導致電池過熱、著火和爆炸的熱失控現象，介紹了新的研究成果及其對改善安全協議的潛在影響。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。