科學(xué)研究：可提升電動(dòng)汽車電池安全的超靈敏電量指示計(jì)

圖片來源：Pexels

一群來自美國和德國的科學(xué)家正在開發(fā)一種探測(cè)器，用于揭開使用大型鋰離子電池來驅(qū)動(dòng)汽車并且儲(chǔ)存可再生能源的奧秘，同時(shí)消除其中潛在的危險(xiǎn)。

他們的解決辦法是采用專門用于探測(cè)磁場(chǎng)的超靈敏新型探測(cè)器，這種探測(cè)器可以繪制出所給電池的磁場(chǎng)圖像，表明該電池是否有缺陷并且精確顯示剩余電量。

這些科學(xué)家給有關(guān)于大型電池的古老問題提供了解決思路。其中一些問題自18世紀(jì)晚期開始就一直懸而未決，那時(shí)意大利貴族、業(yè)余物理學(xué)家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）發(fā)明了伏打電堆。伏打電堆由多層銀幣和鋅片疊合而成，間隔處為潮濕的紙板。

于是伏特做出了世界上第一塊蓄電池。而現(xiàn)在，《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上個(gè)星期刊出的研究或許能幫助企業(yè)家和消費(fèi)者解答一個(gè)關(guān)鍵問題，該問題可能影響他們的財(cái)富甚至生命。

其中一個(gè)問題是：“我應(yīng)該買這輛二手電動(dòng)汽車嗎？”另一個(gè)問題也許是：“這架電動(dòng)飛機(jī)有足夠的電量送我去芝加哥嗎？”

“在電動(dòng)汽車這個(gè)領(lǐng)域，你必須要選擇最好最好的電池?！鄙鲜鲅芯康暮现?、紐約大學(xué)的化學(xué)教授Alexej Jerschow說。他是電池診斷領(lǐng)域的專家。

對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的消費(fèi)者來說，電動(dòng)汽車會(huì)產(chǎn)生一些高昂的意外消費(fèi)。其中之一稱作“過放”。

汽油車沒油的時(shí)候就會(huì)自己停下來。但是電動(dòng)汽車的電池在低于某一電量的時(shí)候仍會(huì)持續(xù)工作，如果駕駛員忽略了相關(guān)警告，電池就會(huì)走向自毀。

不過新型的超靈敏磁場(chǎng)探測(cè)器可以繪制出電池周圍的不可見磁場(chǎng)。這可以指導(dǎo)鋰電池制造商發(fā)現(xiàn)電池有缺陷的部分，并且告訴駕駛員一個(gè)更加精確的電池剩余電量。

使用中或制造過程中的電池在受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生使電池失效的“熱點(diǎn)”或其他缺陷，但是新型磁場(chǎng)探測(cè)器可以追蹤微小區(qū)域的變化，在產(chǎn)生更大的問題前定位缺陷，Jerschow說。

發(fā)電廠開始使用汽車大小的多電池組裝置來存儲(chǔ)太陽能與風(fēng)能。雖然這樣可以減少化石燃料的消耗，但是最近在韓國和美國亞利桑那州發(fā)生了一系列公共設(shè)施的鋰電池火災(zāi)，造成了停電和應(yīng)急搶修人員受傷。

Jerschow說，隨著鋰電池越來越輕便，電量也越來越高，它們的使用范圍會(huì)越來越廣泛。比如，小型電動(dòng)飛機(jī)會(huì)在五到十年內(nèi)出現(xiàn)。和儲(chǔ)存可持續(xù)能源的電池一樣，電動(dòng)飛機(jī)可以幫助減少溫室氣體排放，但是需要更加嚴(yán)格的測(cè)試來避免潛在的航空電池缺陷。

目前電池工廠所采用的方法是從流水線上抽取一些電池并將它們拆開。有時(shí)這一過程會(huì)造成新的損傷。Jerschow與其同事的目標(biāo)就是避免這一步驟，采用損傷小、成本低但是更完善的工藝。

一開始Jershcow認(rèn)為答案可以參考醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)常見的診斷流程，即核磁共振成像。它采用一塊大磁石、射頻無線電和計(jì)算機(jī)來產(chǎn)生詳細(xì)的圖像。這些圖像可以揭示大腦、脊柱和其他身體器官的異常。但是隨后Jershcow發(fā)現(xiàn)德國科學(xué)家正在開發(fā)一種更小但是功能更強(qiáng)的傳感器，可以探測(cè)到更微弱的磁場(chǎng)。

與德國約翰內(nèi)斯古騰堡大學(xué)、美因茨亥姆霍茲研究所的全球知名磁場(chǎng)測(cè)量專家Dmitry Budker合作，Jershcow和其他科學(xué)家完善了理論并且合作制造了第一款原型設(shè)備。

美國國家科學(xué)院的研究給出了其原理證明的結(jié)果?，F(xiàn)在他們正計(jì)劃確認(rèn)這一設(shè)備在電池制造、電動(dòng)汽車、公共設(shè)施甚至二手車市場(chǎng)的商業(yè)前景。

“我們可以預(yù)見一些電池領(lǐng)域的未來，我不覺得其他人在此之前能預(yù)見到?！盝erschow說。他預(yù)測(cè)在未來市場(chǎng)也會(huì)幫助解決一個(gè)更加遙遠(yuǎn)的問題：處理數(shù)量巨大的電動(dòng)汽車電池。

這些電動(dòng)汽車的電池預(yù)期有10年壽命；然后它們會(huì)面臨一個(gè)關(guān)鍵的回收問題。某些電池仍有殘余壽命，也許可以作為其他地方的儲(chǔ)能設(shè)備。而另一些電池留有可回收的高價(jià)值材料，也會(huì)殘留一些無法填埋的有毒物質(zhì)。

我們還需要一種設(shè)備來對(duì)這些電池進(jìn)行分類處理。

作者: John Fialka

翻譯：常灝杰

審校：曾小歡

引進(jìn)來源：科學(xué)美國人

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