電動(dòng)汽車(chē)起火的新聞時(shí)有耳聞，手機(jī)電池和充電寶爆炸的事故也偶有發(fā)生。這些令人擔(dān)憂的安全隱患，都指向同一個(gè)問(wèn)題——鋰電池的熱失控。當(dāng)鋰電池內(nèi)部溫度異常升高時(shí)，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致起火甚至爆炸。如何讓高能量密度的鋰電池變得更安全，一直是科學(xué)家們努力攻克的難題。
最近，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)傳來(lái)好消息：他們成功開(kāi)發(fā)出一種“智能氣體管理”技術(shù)，就像給電池裝上了內(nèi)置的“滅火器”，能在危險(xiǎn)發(fā)生之前主動(dòng)出擊，將火災(zāi)扼殺在搖籃里。這項(xiàng)研究，被國(guó)際科技媒體《新科學(xué)家》（New Scientist）專(zhuān)題報(bào)道，引起了全球科學(xué)界的廣泛關(guān)注。
鋰電池為什么會(huì)“發(fā)火”？
要理解這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新之處，我們先要了解鋰電池“發(fā)火”的原因。
鋰金屬電池雖然能量密度高，可突破500 Wh/kg（瓦時(shí)每千克），是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能電站的理想選擇，但它也面臨著嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。當(dāng)電池溫度升高到200攝氏度時(shí)，正極材料會(huì)分解并釋放氧氣。與此同時(shí)，金屬鋰負(fù)極與電解液反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w。想象一下，在電池這個(gè)密閉的“小房間”里，氧氣和可燃?xì)怏w相遇，就像火上澆油，極易引發(fā)劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致電池?zé)崾Э厣踔帘ā?/p>
更糟糕的是，這些氣體的積聚會(huì)造成電池內(nèi)部壓力急劇升高，最終導(dǎo)致電池外殼破裂。一旦破裂，內(nèi)部的高溫氣體與空氣接觸，同樣會(huì)發(fā)生劇烈燃燒，溫度可高達(dá)1000攝氏度以上。
皇家化學(xué)會(huì)在牛津大學(xué)設(shè)置的藍(lán)色牌匾，紀(jì)念古迪納夫等人在此發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的正極材質(zhì)鈷酸鋰
（圖片來(lái)源：維基百科 Kastrel）
巧妙的“阻燃界面”設(shè)計(jì)
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的白春禮院士、郭玉國(guó)研究員和張瑩副研究員團(tuán)隊(duì)，提出了一個(gè)巧妙的解決方案——在電池正極內(nèi)部構(gòu)建“阻燃界面”（FRI）。
這個(gè)設(shè)計(jì)的精妙之處在于它的“智能響應(yīng)”機(jī)制。研究人員在正極材料中加入了一種特殊的含磷聚合物。平時(shí)，這種聚合物安靜地待在正極里，不影響電池的正常工作。但當(dāng)電池溫度升高到100攝氏度時(shí)（這是熱失控的早期階段），聚合物就會(huì)自動(dòng)分解，釋放出含磷自由基。
這些自由基就像訓(xùn)練有素的“消防員”，迅速撲向“火源”：它們能夠“捕獲”電解液熱分解產(chǎn)生的活性基團(tuán)（如H·、CH·等），阻止可燃?xì)怏w的生成。還可以同時(shí)抑制正極釋放氧氣，從源頭切斷“助燃劑”的供應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用這種技術(shù)后，鋰電池工作在極端情況時(shí)可燃?xì)怏w的生成量減少了63%，氧氣釋放量降低了49%。這就像同時(shí)關(guān)閉了“燃料閥”和“氧氣閥”，讓爆炸失去了必要條件。
智能氣體管理策略工作機(jī)制示意圖
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1])
光有理論還不夠，實(shí)際效果是關(guān)鍵
研究團(tuán)隊(duì)制作了0.6 Ah（安時(shí)）的鋰金屬軟包電池進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果令人振奮。
在熱濫用（指電池暴露在異常高溫環(huán)境下的情況）測(cè)試中，普通電池的熱失控峰值溫度高達(dá)1038攝氏度，升溫速率達(dá)到驚人的每分鐘4萬(wàn)攝氏度。這種爆炸式的溫升，幾乎在瞬間就會(huì)引發(fā)災(zāi)難性后果。
而采用新技術(shù)的電池表現(xiàn)如何呢？熱失控峰值溫度僅為220攝氏度，升溫速率更是降低了40000倍！更重要的是，電池沒(méi)有發(fā)生爆炸，只是輕微鼓脹。這種溫和的失效模式，給了人們足夠的時(shí)間采取應(yīng)急措施。
氣體分析的結(jié)果同樣令人印象深刻。在普通電池產(chǎn)生的氣體中，可燃?xì)怏w占比高達(dá)62%，而新技術(shù)電池中這一比例降至19%。取而代之的是相對(duì)安全的二氧化碳，其占比從38%提升到61%。這種氣體成分的改變，大大降低了爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
多重防護(hù)的“智能”特性
這項(xiàng)技術(shù)最令人稱(chēng)道的是它的“智能”特性。它不是簡(jiǎn)單地添加阻燃劑，而是構(gòu)建了一個(gè)能夠主動(dòng)響應(yīng)溫度變化的防護(hù)系統(tǒng)。
當(dāng)電池正常工作時(shí)，阻燃聚合物安分守己，不影響電池性能。只有當(dāng)檢測(cè)到異常升溫時(shí)，它才會(huì)“蘇醒“并采取行動(dòng)。這種“按需激活”的特性，既保證了安全性，又不犧牲電池的電化學(xué)性能。
實(shí)驗(yàn)證明，采用新技術(shù)的電池在200次循環(huán)后仍能保持80%的容量，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。這意味著，安全性的提升并沒(méi)有以犧牲性能為代價(jià)。
更廣闊的應(yīng)用前景
這項(xiàng)技術(shù)的意義不僅在于提高了鋰金屬電池的安全性。研究團(tuán)隊(duì)還將其應(yīng)用于其他類(lèi)型的電池系統(tǒng)，包括鋰硫電池，都取得了良好的效果。
更重要的是，這種方法與現(xiàn)有的電池生產(chǎn)工藝高度兼容。制造商只需要在正極漿料中加入特定的前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)紫外光固化就能形成阻燃界面，無(wú)需對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模改造。這大大降低了技術(shù)推廣的門(mén)檻。
在釘刺測(cè)試中，采用新技術(shù)的電池表面溫度維持在32攝氏度以下；在過(guò)充測(cè)試中，即使充電到4.8 V（伏特），電池也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的溫度上升。這些極端條件下的優(yōu)異表現(xiàn)，充分證明了技術(shù)的可靠性。
從“被動(dòng)防護(hù)”到“主動(dòng)管理”
傳統(tǒng)的電池安全策略往往是“被動(dòng)防護(hù)”——通過(guò)外部的保護(hù)電路、冷卻系統(tǒng)等來(lái)應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)。而這項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從“被動(dòng)”到“主動(dòng)”的轉(zhuǎn)變，讓電池具備了自我保護(hù)的能力。
這種智能氣體管理策略的核心在于：首先源頭控制，減少危險(xiǎn)氣體的產(chǎn)生。其次成分調(diào)控，改變氣體組成，降低可燃性。最后壓力緩解，避免因氣體積聚導(dǎo)致的機(jī)械破裂。三管齊下，構(gòu)建了一個(gè)立體的安全防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
這項(xiàng)研究告訴我們，解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，有時(shí)需要跳出傳統(tǒng)思維。與其在電池起火后想辦法滅火，不如從根本上防止起火的發(fā)生。這種“防患于未然”的思路，體現(xiàn)了科學(xué)研究的智慧。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的成功也展示了跨學(xué)科合作的重要性——它融合了材料科學(xué)、電化學(xué)、熱力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，是典型的交叉創(chuàng)新成果。
展望未來(lái)：更安全的電動(dòng)時(shí)代
隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及和儲(chǔ)能需求的增長(zhǎng)，電池安全問(wèn)題只會(huì)變得更加重要。這項(xiàng)“智能氣體管理”技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了新的思路和方法。
雖然從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還需要時(shí)間，但這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力。它不僅能讓電動(dòng)汽車(chē)更安全，也能讓我們?nèi)粘Ｊ褂玫母鞣N電子設(shè)備更加可靠。
當(dāng)“里程焦慮”逐漸被“充電焦慮”取代時(shí)，“安全焦慮”可能成為阻礙電動(dòng)汽車(chē)普及的最后一道坎。中國(guó)科學(xué)家的這項(xiàng)創(chuàng)新，正在為跨越這道坎鋪平道路。
在不久的將來(lái)，當(dāng)我們駕駛電動(dòng)汽車(chē)出行，或是使用各種便攜式電子設(shè)備時(shí)，可以更加安心——因?yàn)橛小皟?nèi)置滅火器”在默默守護(hù)著我們的安全?？萍嫉倪M(jìn)步，就是這樣悄無(wú)聲息地改變著我們的生活，讓美好的未來(lái)一步步成為現(xiàn)實(shí)。
電動(dòng)車(chē)的底盤(pán)實(shí)體剖面，露出其中的電池。
（圖片來(lái)源：維基百科 Tennen-Gas）
參考文獻(xiàn)：
[1]Guo J-C, et al. “A fire-safe Li metal battery via smart gas management.”P(pán)roceedings of the National Academy of Sciences122.29 (2025): e2501549122.
