傳統(tǒng)鋰電池為什么容易爆炸呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-12-04 10:38
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傳統(tǒng)的鋰離子電池中，正負極電極由固態(tài)導電的化合物組成，但是這些電極之間的電解質卻是液體或者膠體的，電荷在其中移動。如果，充電方式不正確（例如過量充電）或者放在陽光下暴曬，液體電解質可能會被點燃，膠體則會發(fā)生膨脹。然而，傳統(tǒng)鋰電池的電解液為有機液體，在高溫下會發(fā)生副反應，氧化分解，產生氣體，發(fā)生燃燒的傾向會加劇，所以容易引起爆炸。
固體電解質材料耐高溫不易燃
正是由于傳統(tǒng)鋰電池的不安全因素，科學家們一直在為鋰電池尋找易燃的液體電解質的替代品。我們之前文章介紹過在這方面的研究成果（來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院），讓鋰電池的電極和電解質都由固體制成，因為固體電極在高溫或者暴露在空氣中的情況下，都不容易燃燒。
然而，如何尋找最適合的固態(tài)電解質材料呢？目前，斯坦福大學的研究人員使用人工智能和機器學習的辦法，找到了約21個固體電解質材料，有望未來取代易燃的液體電解質，在智能手機、平板電腦以及其他電子設備中使用，它們的研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》雜志上。
論文的第一作者、研究的帶頭人、應用物理方面的博士研究生 Austin Sendek 對于液體電解質和固體電解質的優(yōu)缺點，是這么評價的：
電解質在電池的正負極往返地運輸鋰離子。液體電解質很廉價，能夠很好的導電性能，但是它們在電池過熱或者短路時容易著火。固體電解質最大的有點就是穩(wěn)定性。相對于有機溶液，固體不容易發(fā)生爆炸和蒸發(fā)現(xiàn)象。它們也更加嚴格，讓電池的結構更強大。
使用人工智能尋找固體電解質材料
通過多年的實驗嘗試，研究人員經歷了不少失敗，但是現(xiàn)在他們找到了廉價的固體材料，在室溫下和液體電解質有著同樣的性能。
尋找固體電解質材料的過程中，團隊并不是通過隨機測試個別化合物的方法，他們使用了人工智能和機器學習，通過實驗數(shù)據(jù)構造預測模型。他們訓練了一種計算機算法，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，去學習如何辨認化合物的好壞。這個過程和人臉識別算法，在觀察幾個范例后，去辨認人臉的過程很類似。
對于使用人工智能的方法進行材料篩選，Sendek 這么評價道：
“現(xiàn)有的含有鋰元素的化合物數(shù)量是數(shù)以萬計的，絕大多數(shù)是未經測試的。其中的一些可能是性能優(yōu)異的導體。我們開發(fā)了一個計算模型，對于我們現(xiàn)有的有限數(shù)據(jù)進行學習，從大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫中，篩選出合適的材料。這種篩選方法的速度是現(xiàn)有篩選方法的百萬倍。”
為了設計這個模型，Sendek 花費了差不多兩年時間，搜集關于含有鋰元素的固體化合物的所有科學數(shù)據(jù)。對于Austin Sendek 的工作， 這項論文的高級作者，材料科學和工程專業(yè)的助理教授 Evan Reed 如此評價：
Austin 搜集了關于這些材料的所有人類智慧，以及過去幾十年來的許多測量和實驗數(shù)據(jù)。他使用這些知識創(chuàng)建了一個模型，模型可以預測材料是否會是一個好的電解質。這個方法可以篩選所有的候選材料，找出適合進一步研究的最佳材料。
篩選標準的是什么？
模型使用了幾個標準去篩選理想的材料包括：穩(wěn)定性、成本、豐富度、鋰離子的導電性、在電池電路中為電子重新規(guī)劃線路的能力。科學家為了探索幾千種材料的物理和化學特性建立了“材料計劃”數(shù)據(jù)庫， 從這個數(shù)據(jù)庫中挑選候選材料。
Sendek 說：
“我們篩選了超過12,000種含有鋰元素的化合物，最終找到了21種作為固體電極的理想材料。篩選只需要花費幾分鐘。我絕大多數(shù)的時間，實際上是用于搜集和管理所有的數(shù)據(jù)，開發(fā)對于預測模型信心度的度量機制。”
