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美國大學為鋰金屬電池打造“泄洪道” 電池短路時不會著火或爆炸

來源:蓋世汽車 瀏覽次數:676 發布日期:2020-04-26

據外媒報道,美國加州大學圣地亞哥分校(University of California San Diego)的納米技術工程師們研發了一種安全功能,可以在鋰金屬電池內部短路時,防止其迅速升溫并著火。該團隊對電池中稱為“隔膜”(電池陰陽極之間的屏障)的部分進行了巧妙調整,從而可以在電池短路時,讓電池內部積聚的能量(即熱量)的流動速度減慢。

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(圖片來源:加州大學圣地亞哥分校)

研究人員表示:“我們不是試圖阻止電池發生故障,而是讓其更加安全,這樣一來,當電池發生故障時,不會著火或爆炸,產生災難性后果。”

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(圖片來源:加州大學圣地亞哥分校)

鋰金屬電池在反復充電后,陽極上會生長一種稱為“樹突”的針狀結構,從而導致電池失效。隨著時間推移,樹突會長得越來越長,直到穿透隔膜,成為陽極和陰極接觸的橋梁,從而導致電池內部短路。當此種情況發生時,兩個電極之間的電子流動會失去控制,立馬導致電池過熱并停止工作。

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(圖片來源:加州大學圣地亞哥分校)

加州大學圣地亞哥分校的研究小組研發了一種隔膜,能夠緩解此種情況。該隔膜的一面覆蓋了一層薄薄的、可部分導電的碳納米管網,可以攔截形成的樹突。當一個樹突刺破該隔膜,撞上該網時,有一個通道讓電子慢慢排出,而不是直接一下子流到陰極。研究人員將該電池隔膜比作大壩上的泄洪道。

研究人員表示:“當大壩開始潰決時,人們就會打開泄洪道,讓某些水以一種可控的方式流出,如此一來,當大壩真的決堤并往外溢出水時,也沒有多少水可以引發成洪水了。這與我們研發的隔膜類似,我們慢慢排出電荷,防止電子“泛濫”到陰極。當樹突被隔膜的導電層攔截時,該電池會開始自我放電,所以,當電池真的短路時,也沒有足夠的能量來引發危險情況了。”

其他的電池研究工作都集中于采用足夠堅固的材料來打造隔膜,從而阻止樹突穿透隔膜。但是,此種方法的問題是,只是拖長了無法避免的后果發生的時間。此類隔膜仍需要具備孔隙,讓離子通過,從而讓電池能夠工作。因此,如果樹突最終突破隔膜時,電池短路的情況只會更糟。加州大學圣地亞哥分校研究小組不是阻止樹突穿透隔膜,而是試圖減輕其帶來的影響。

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(圖片來源:加州大學圣地亞哥分校)

在測試中,配備了新隔膜的鋰金屬電池在20至30次充放電循環之后才顯示出逐漸失效的跡象。與此同時,配備普通(以及略厚)隔膜的電池僅在1次充放電循環后,就突然發生故障。

研究人員表示:“在真實用例中,如果電池即將失效,人們并不會提前收到預警。可能是前一秒還很好,下一秒電池就著火或完全短路了,這是不可預測的。但是,有了我們研發的隔膜,人們可以在每次充電時,提前得到電池越來越糟的預警。”

雖然此次研究的重點是鋰金屬電池,但研究人員表示,此種隔膜也可用于鋰離子電池和其他化學成分組成的電池。該研究小組將繼續優化該隔膜,以實現商用,而且加州大學圣地亞哥分校已經為該隔膜申請了一項臨時專利。

標簽:  鋰金屬電池
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