微型電池失控設計：讓安全檢測更簡單、更經濟

鋰電池過熱可能引發嚴重風險，最糟情況下甚至會導致起火或爆炸。東京大學研究團隊開發出一套簡單且成本低廉的檢測方法，專門用來測試鋰離子電池的安全性，這項突破將有助於未來研發更安全的新型電池。相關研究成果已發表於《Nature Energy》期刊。

研究人員特別設計了一款穩定性較差的電池，對可能引發過熱的變化更加敏感。這款電池的尺寸僅有傳統電池的五十分之一，不僅大幅減少資源消耗，還能讓測試在更小的實驗室環境中進行。

近年來，鋰電池過熱、冒煙甚至爆炸的新聞時有所聞，這使得安全檢測成為製造商和消費者最關切的議題。當電池遭遇異常狀況，例如高溫、熱衝擊、穿刺、擠壓、掉落或震動時，可能觸發化學連鎖反應，導致電池溫度以驚人速度攀升（每分鐘可能上升數千度）。

這種被稱為「熱失控」的現象，最終可能引發災難性的火災或爆炸。為了降低熱失控風險，學界已提出多種檢測方法，其中加速量熱儀（ARC）測試能提供定量資料，包括電池自發加熱和熱失控的起始溫度，以及相關的熱生成量。然而，這類檢測不僅危險，成本也相當高昂。

「現行的安全檢測方法需要使用大容量的商用規格電池，這意味著需要大量材料資源、複雜的製造工藝，以及嚴格的防爆標準。」工學研究科的山田教授解釋道，「這使得多數學術和研究機構難以進行熱失控測試，嚴重限制了更安全、更先進的次世代電池研發。」

為突破這項限制，東京大學與日本物質材料研究機構的團隊開發出一套創新方法，透過設計一款特別容易發生熱失控（因此也更危險）的微型電池來評估熱失控現象。團隊還建立了一個簡單的方程式，結合電池熱累積和散熱的資料，計算出所謂的「熱失控因子」（TRF）。

「研發一款刻意設計成危險的電池是關鍵所在。根據TRF，電池產生的熱量會隨著能量提升、體積表面積比（V/S）增加，以及材料比熱容（使1克電池材料升高1°C所需的熱量）降低而增加。」山田教授進一步說明。

「由於在小規模測試中增加電池容量並不可行，我們轉而專注於降低散熱能力，具體做法包括提高V/S比、盡量減少使用高比熱容材料，以及移除電池外殼等不會發熱的元件。」

這款僅有傳統電池五十分之一大小的微型電池，不僅大幅減少ARC測試所需的原材料，同時提升熱失控的檢測靈敏度。其小巧尺寸讓實驗室能進行可控的小規模測試，即使發生熱失控也能將風險降至最低。

「我們發現，運用這套方法能快速精準地篩選出各種影響電池安全性的因素，包括電池構成材料、設計要素、儲存條件和劣化程度等。」山田教授表示，「這項技術能為電池設計提供快速安全篩檢和早期回饋，研究人員和製造商都能運用它來提升電池安全性。我們最終希望這能加速實現碳中和社會的目標。」