如何解决电池爆炸的问题？科学家：用水做电池

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电瓶车等交通设备虽然方便，但安全问题仍未得到解决。最近，一项发表于《先进材料》的研究展示了一款“水电池”。电解质是电池的关键成分之一，在很大程度上决定了电池的工作原理及安全性。在这项新研究中，研究人员用水取代有机物作为电解质，得到了更安全的电池。

撰文 | 王怡博

审校 | Clefable

2月23日凌晨，南京市雨花台区明尚西苑6栋发生火灾，造成15人死亡，44人受伤。经初步分析，火灾由地面架空层停放的电动自行车（本文主要指电瓶车）起火引发。据资料显示，大火大概烧了一个多小时才被扑灭。

如果把目光聚焦在最先起火的电瓶车上，它可能在不到几秒钟或者几分钟内就烧到了750℃以上。具体来说，起火的其实是电瓶车所用的锂离子电池。

如今，随着越来越多电动自行车和电动汽车爆炸事件的发生，人们对锂离子电池的印象并不是很好，尤其是对电动自行车使用的锂离子电池。

比如，自2021年12月美国纽约发生一起由电动自行车引发的亡人火灾后，纽约市消防局（FDNY）便开始禁止FDNY总部停放电动自行车和电动滑板车，残疾人使用的设备除外。到2022年4月，FDNY还限制在一个区域内，停放或充电的电动自行车等交通设备不得超过5辆。此外，英国政府也曾宣布威斯敏斯特宫禁止停放电动自行车和电动滑板车，尽管遭到了自行车倡导团体等的强烈反对。

但根据以往发生的事故，涉及电动自行车和电动滑板车的火灾通常归因于劣质电池和相关设备。有人认为是这些更便宜的电池产品给锂离子电池带来了坏名声。

安全风险

事实上，当索尼于1991年推出第一款可充电锂离子电池时，他们就知道其潜在的安全风险。那时，有手机电池产生的高温气体烧伤了一名男子的脸部，一大批可充电锂离子电池不得不被召回。索尼知道，锂离子电池制造过程中的颗粒污染，如铜、铝、铁和镍，可能会导致电池内部短路。

此外，电池制造商往往会在电池中填充很多活性材料，并使电极间的隔膜变得更薄，来提高电池的能量密度等性能。但当电池不幸被刺穿、过充放电或过热时，中间的隔膜就会崩溃，使得正负两个电极相连而发生内部短路。

若是轻微的短路，并不会产生太多热量；但如果发生严重的短路，正负极之间就会有相当大的电流，导致温度升高，出现热失控（thermal runaway）。

顾名思义，热失控是指锂离子电池内部积聚了太多热量而失控了。清华大学车辆与运载学院副教授冯旭宁曾在清华大学读博期间，通过对25Ah（安时）三元锂离子动力电池做绝热热失控测试，发现热失控发生时，电池温度曲线会以近乎垂直的直线快速上升。

事实是，反应放出热量，温度得到提高，而温度升高意味着反应进行得更快，进而产生更多热量。重要的是，这会构成一个指数级正反馈环路，使得电池温度可在几秒内从大约200℃提高至750℃。

在这期间，电池隔膜完全崩溃，正负极间出现大面积内短路。与此同时，正极与电解质开始发生分解反应，其中的金属氧化物会释放出氧气，而氧气可以促进燃烧反应，从而产生更多气体和热量。值得一提的是，电动汽车和电动自行车等会在燃烧时自主产生氧气，可能发生复燃，这正是其火灾难以扑灭的一大原因。

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例如，2021年4月，一辆2019款特斯拉Model S冲出道路，撞上了一棵树后起火。最初，火灾在几分钟内就被扑灭了，但之后却仍持续复燃，给消防人员带来了挑战，他们总共花了约4个小时，使用了11多万升水——相比之下，世界上最大的消防专用飞机只能携带约7.5万升水。

如何改进

如今，电池基本上都有安全系统，因此正常情况下会在电池发生短路时直接断电。但如果是电池内在的固有缺陷，如金属颗粒污染，电池安全系统就很难及时监测并阻止潜在热失控的发生。对此，电池制造商一直在努力减少金属颗粒的存在，提高锂离子电池的安全性。但电池故障率是存在的，比如戴尔和苹果公司制造的笔记本电脑的电池故障率约二十万分之一，导致近60万个锂离子电池组被召回。

除了进一步完善锂离子电池制造工艺外，科学家还在尝试其他技术，比如开发钠离子电池、固态电池，甚至是“水电池”。

马天一和他的团队成员，以及他们制造的“水电池”。图片来源：Carelle Mulawa-Richards, RMIT University

为了寻找可能着火的锂离子电池的替代品，澳大利亚皇家墨尔本理工大学马天一教授领导的团队将目光投向了“水电池”，并于今年2月在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表了最新进展。

锂离子电池往往使用的电解质是有机非质子溶剂与锂盐的混合物，而马天一团队想要用水来取代其中的有机电解质，来减小电池爆炸的可能性。当然，这里的“水”不是纯净的水，而是水和无机盐的混合物。然后，他们利用锌阳极（该团队还关注镁阳极），并在两极上涂覆氧化铋，进一步提高了水电池的寿命。目前，他们的愿景是将这样的电池用在电动滑板车等无需大量电力的场合中。

随着能源转型，越来越多的电动交通设备涌入市场，安全问题可能也会随之涌现。目前，相关的数字仍然触目惊心——据国家消防救援局统计，2023年全国共接报电动自行车火灾约2万起，较2022年上升约17.4%。安全使用电动车，还有很长一段要走。

参考链接：

https://www.nfpa.org/news-blogs-and-articles/nfpa-journal/2022/08/04/e-bikes?l=289

https://www.nfpa.org/news-blogs-and-articles/nfpa-journal/2022/08/04/e-bikes?l=624

https://www.newscientist.com/article/2418258-batteries-made-with-water-could-power-e-scooters-without-exploding/

https://scitechdaily.com/what-makes-electric-vehicle-fires-so-difficult-to-extinguish-video/

https://batteryuniversity.com/article/lithium-ion-safety-concerns

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