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美国研发防止锂电池发热爆炸新技术 且提升充电速度

2020-08-17 浏览次数:2,203 次 盖世汽车

汽车、手机电池经常会发热,有时还会起火。在大多数情况下,这类事件背后的罪魁祸首都可以追溯至锂电池。尽管锂电池可持续提供电流,让设备一直有动力,但锂电池内部也会经常短路,导致设备升温。


(图片来源:德州农工大学)

据外媒报道,美国德州农工大学(Texas A&M University)的研究人员发明了一种可以防止锂电池发热和失效的技术。他们为电池的导电板,即阳极,设计了碳纳米管,可以安全地存储大量锂离子,从而降低起火风险。此外,研究人员还表示,与目前市面上的电池相比,此种具有新型阳极结构的锂电池充电速度也更快。

材料科学系研究生Juran Noh表示:“我们为锂电池设计了下一代阳极,能够持续产生大电流,还能够让设备充电速度更快。此外,此种新结构可以防止锂在阳极外堆积,因为堆积的锂久而久之会导致电池两极之间的成分意外接触,这也是导致电池爆炸的主要原因之一。”

当锂电池被使用时,带电粒子会在电池两极之间移动。锂原子释放的电子会从电池的一边移到另一边。当电池处于充电状态时,锂离子和电子会回到原来所在的那一极。

因此,阳极(含有锂离子的导电体)的性质对电池的性质起着决定性的作用。常用的一种阳极材料是石墨,在石墨阳极中,锂离子被插入到石墨层之间。不过,Noh表示,此种设计限制了阳极可以存储的锂离子数量,甚至在充电时,还需要更多能量将离子从石墨中拉出来。

此类电池还有一个更危险的问题。有时,锂离子不会均匀地沉积在阳极上,相反,会在阳极表面堆积成块,形成成为树突的树形结构。随着时间的推移,树突会生长,并最终刺破分隔电池两极的材料,从而会导致电池短路,还有可能让设备着火。生长中的树突也会影响电池的性能,因为它会消耗锂离子,使锂离子无法产生电流。

Noh表示,另一种阳极设计将采用纯锂金属取代石墨。与石墨阳极相比,每单位金属锂阳极所含有的能量密度要高得多。但是,由于也会形成树突,因此也会以同样的方式令电池失效。

为了解决该问题,研究人员设计了采用高导电轻质材料——碳纳米管制成的阳极。此类碳纳米管支架含有空间或孔,能够让锂离子进入。但是,此类结构不能顺利与锂离子结合。

因此,研究人员又制作了两个表面化学性质略有不同的碳纳米管阳极,一个带有大量可以与锂离子结合的分子基团,另一个也有相同的分子基团但数量较少。研究人员们利用此类阳极制造了电池,以测试电池是否有形成树突的倾向。

正如预期的一样,研究人员发现,仅用碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合在一起。因此,虽然几乎没有形成树突,但是电池产生大电流的能力也受到了影响。另一反面,分子基团过多的支架会形成很多树突,从而缩短电池的使用寿命。

不过,分子基团数量合适的碳纳米管阳极可以防止树突的形成。此外,大量的锂离子可以结合在一起,沿着支架表面扩散,从而增强电池持续产生大电流的能力。

研究人员表示,此种阳极的电流处理能力比商用锂电池高出5倍。而且,该能力对于需要快速充电大电池,如用于电动汽车上的电池非常有用。

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