三星(Samsung)旗艦級手機Galaxy Note 7s由於存在電池爆炸的疑慮,遭到全球多家航空公司禁止攜帶登機。不過,研究有關電池起火或爆炸的科學家們最近在防火安全上邁出了第一步,他們追蹤到發熱失控的根源來自於電池陽極與陰極之間形成的小型樹枝狀結晶(dendrite)所致。

美國卓克索大學(Drexel University)的材料專家們提出了一種低成本、簡單的方法,有助於防止這種「枝晶」的形成:以至少1%的濃度混合奈米鑽石與普通的鋰離子電解質。

卓克索大學教授Yury Gogotsi與中國清華大學博士班候選人一起發現了這種方法。但是,要讓三星以及眾多的其他鋰離子電池製造商與OEM接受並採用這一概念,應該比研究人員確認奈米鑽石添加劑有效更加困難。

Gogotsi說:「我們只好使用Drexel大學提供的內部資金來證實這個概念可行。現在我們仍在努力吸引業界合作夥伴的資助,才能更詳細地表徵這一過程,以及確定哪些特定應用需要添加多少奈米鑽石到電解液中。」

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Yury Gogotsi

事實上,鋰離子電池技術已經很昂貴了,會不會一聽到奈米鑽石中的「鑽石」就嚇走一票對於成本敏感的製造商?但Gogotsi指出,這樣的顧慮是多餘的,因為奈米鑽石的製造成本低廉,實際上還可以用廢料來製造。

Gogotsi說:「你只需要使用過期的爆炸物,否則處理成本昂貴,然後在密閉的腔室內引爆。其結果是在腔壁上產生超過50%的奈米鑽石塗層,測量約為5奈米。」 做的只是使用過期的

這個機制就像漫畫中超人製作鑽石的方式:超級英雄在普通的碳上施加極其高的壓力,迫使它進入最緊緻的結構。當然,在《超人:鋼鐵英雄》(Man of Steel)電影中,超人徒手就能做到,而Gogotsi的方法則有賴於在密閉空間中引爆造成的極度壓力。

20171102_nanodiamond_NT01P2 鋰離子電池的電解液中加入奈米鑽石,可望避免發熱失控形成枝晶,甚至引發火災 (來源:Drexel University、Tsinghua University)

Gogotsi的實驗室使用製造這種奈米鑽石的過程,但他說,「這一過程其實是由俄羅斯的三座實驗室發明的,而且必須加以保密,每一座實驗室都不知道其他實驗室的類似發現。」

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Lab)最終公佈了這一過程的細節,目前已在全球範圍內用於將難以處置的廢棄物(例如過期的C4)轉化為可銷售的產品。奈米鑽石目前也廣泛應用於工業研磨、醫用塗料和測量磁場的電子感測器等產品中。

20171102_nanodiamond_NT01P3 電解質中逐漸生長的枝晶內含不到1%的奈米鑽石(左),以及無枝晶的鋰離子電池與奈米鑽石(右)比較 (來源:Drexel University)

現在,奈米鑽石已經就緒,可用於解決電池起火或爆炸的問題——前提是,如果製造商願意相信的話。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Nanodiamonds Found to Prevent Lithium Battery Fires,by R. Colin Johnson)