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美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员开发出一种利用声音检测锂离子电池何时会着火的方法。NIST 团队的成员包括 Wai Cheong “Andy” Tam 和 Anthony Putorti。
我们身边到处都是锂离子电池：它们可能在你的手机、笔记本电脑、电动自行车或电动汽车中。伸手可及的地方可能有好几个，而你的大楼里可能有数百个。
这些电池之所以受欢迎，是因为它们可以在很小的空间内储存大量能量。这种特性使它们非常有用，但也带来了危险。如果锂离子电池过热或损坏，它可能会起火甚至爆炸。而且电池起火的风险正在增加。2023 年，纽约市消防部门处理了 268 起由电动自行车电池引发的住宅火灾，造成 150 人受伤，18 人死亡。
这些火灾之所以如此危险，是因为它们几乎瞬间就会变得非常热。电池可以喷射出高达 1,100 摄氏度 (2,012 华氏度) 的火焰，几乎和喷灯一样热，而且在大约一秒钟内就能达到这一温度。这与其他类型的住宅火灾截然不同，后者通常以闷烧或小火焰的形式缓慢开始。对于这些火灾，烟雾有更多时间到达烟雾报警器并警告人们危险。
除了升温速度更快之外，锂离子电池在故障初期不会产生太多烟雾。当这些有限的烟雾触发传统烟雾报警器时，可能已经来不及阻止火势蔓延。因此，尽早发现这些火灾的方法将大有裨益。
“在观看电池爆炸的视频时，我注意到一些有趣的事情，”Tam 说。“就在起火前，电池中的安全阀坏了，发出了一点噪音。我想我们也许可以利用这一点。”他并不是第一个发现这一点的人，但他想看看自己能否亲自验证一下这个想法。
锂离子电池着火前，化学反应会导致内部压力增大。电池开始膨胀。许多锂离子电池无法膨胀，因为它们有坚硬的外壳。
许多硬壳都含有一个安全阀，用于破坏并释放压力。安全阀破裂的声音就是 Tam 在视频中听到的声音。这是一种独特的咔嗒声，有点像打开一瓶苏打水的声音。
先前的研究发现，声音可用于预警系统。但世界上有许多声音类似于安全阀破裂的声音，例如使用订书机或掉落回形针的声音。
如果房间内的任何随机噪音都会触发探测器，那么探测器就没什么用了。因此，研究人员需要能够可靠识别安全阀损坏声音且不会检测到其他噪音的软件。他们决定使用人工智能。Tam 和 Putorti 训练了一种机器学习算法来识别这种独特的噪音。
为了使算法发挥作用，他们首先需要大量的声音样本。通过与西安科技大学的一个实验室合作，他们录制了 38 个电池爆炸的声音。然后他们调整了这些录音的速度和音调，将它们扩展为 1,000 多个独特的音频样本，这些样本可以用来教软件安全阀破裂的声音。
该算法效果非常好。研究人员使用安装在相机上的麦克风， 94% 的时间都能检测到电池过热的声音。
“我尝试使用各种不同的噪音来混淆算法，从人们走路的声音到关门的声音，再到打开可乐罐的声音，”Tam 解释道。“只有少数噪音能混淆检测器。”
谭教授在第十三届亚洲-大洋洲火灾科学与技术研讨会上介绍了他们的研究成果。他和普托蒂已经申请了专利，并计划继续这项研究，开发更多类型的电池和麦克风。
他们在测试中发现，安全阀 在电池发生灾难性故障前约两分钟就破裂了。他们还计划对更广泛的电池进行更多实验，以验证该警告时间。
一旦完全开发出来，这项技术可用于制造一种新型火灾报警装置。这些报警装置可安装在家庭和办公楼内，或安装在电池较多的地方，如仓库和电动汽车停车场。它们提供的预警可以让人们有时间撤离。与锂离子电池建立健康关系的关键可能就是仔细倾听。
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