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美國研發(fā)防止鋰電池發(fā)熱爆炸新技術(shù) 且提升充電速度

時間:2020-08-17 10:17來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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(圖片來源:德州農(nóng)工大學(xué))
 
       汽車、手機(jī)電池經(jīng)常會發(fā)熱,有時還會起火。在大多數(shù)情況下,這類事件背后的罪魁禍?zhǔn)锥伎梢宰匪葜龄?a href='http://tyubcd3.cn/shushuo/dc/' target='_blank'>電池。盡管鋰電池可持續(xù)提供電流,讓設(shè)備一直有動力,但鋰電池內(nèi)部也會經(jīng)常短路,導(dǎo)致設(shè)備升溫。
 
       據(jù)外媒報道,美國德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)的研究人員發(fā)明了一種可以防止鋰電池發(fā)熱和失效的技術(shù)。他們?yōu)殡姵氐膶?dǎo)電板,即陽極,設(shè)計了碳納米管,可以安全地存儲大量鋰離子,從而降低起火風(fēng)險。此外,研究人員還表示,與目前市面上的電池相比,此種具有新型陽極結(jié)構(gòu)的鋰電池充電速度也更快。
 
       材料科學(xué)系研究生Juran Noh表示:“我們?yōu)殇囯姵卦O(shè)計了下一代陽極,能夠持續(xù)產(chǎn)生大電流,還能夠讓設(shè)備充電速度更快。此外,此種新結(jié)構(gòu)可以防止鋰在陽極外堆積,因為堆積的鋰久而久之會導(dǎo)致電池兩極之間的成分意外接觸,這也是導(dǎo)致電池爆炸的主要原因之一。”
 
       當(dāng)鋰電池被使用時,帶電粒子會在電池兩極之間移動。鋰原子釋放的電子會從電池的一邊移到另一邊。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時,鋰離子和電子會回到原來所在的那一極。
 
       因此,陽極(含有鋰離子的導(dǎo)電體)的性質(zhì)對電池的性質(zhì)起著決定性的作用。常用的一種陽極材料是石墨,在石墨陽極中,鋰離子被插入到石墨層之間。不過,Noh表示,此種設(shè)計限制了陽極可以存儲的鋰離子數(shù)量,甚至在充電時,還需要更多能量將離子從石墨中拉出來。
 
       此類電池還有一個更危險的問題。有時,鋰離子不會均勻地沉積在陽極上,相反,會在陽極表面堆積成塊,形成成為樹突的樹形結(jié)構(gòu)。隨著時間的推移,樹突會生長,并最終刺破分隔電池兩極的材料,從而會導(dǎo)致電池短路,還有可能讓設(shè)備著火。生長中的樹突也會影響電池的性能,因為它會消耗鋰離子,使鋰離子無法產(chǎn)生電流。
 
      Noh表示,另一種陽極設(shè)計將采用純鋰金屬取代石墨。與石墨陽極相比,每單位金屬鋰陽極所含有的能量密度要高得多。但是,由于也會形成樹突,因此也會以同樣的方式令電池失效。
 
      為了解決該問題,研究人員設(shè)計了采用高導(dǎo)電輕質(zhì)材料——碳納米管制成的陽極。此類碳納米管支架含有空間或孔,能夠讓鋰離子進(jìn)入。但是,此類結(jié)構(gòu)不能順利與鋰離子結(jié)合。
 
       因此,研究人員又制作了兩個表面化學(xué)性質(zhì)略有不同的碳納米管陽極,一個帶有大量可以與鋰離子結(jié)合的分子基團(tuán),另一個也有相同的分子基團(tuán)但數(shù)量較少。研究人員們利用此類陽極制造了電池,以測試電池是否有形成樹突的傾向。
 
       正如預(yù)期的一樣,研究人員發(fā)現(xiàn),僅用碳納米管制成的支架不能很好地與鋰離子結(jié)合在一起。因此,雖然幾乎沒有形成樹突,但是電池產(chǎn)生大電流的能力也受到了影響。另一反面,分子基團(tuán)過多的支架會形成很多樹突,從而縮短電池的使用壽命。
 
       不過,分子基團(tuán)數(shù)量合適的碳納米管陽極可以防止樹突的形成。此外,大量的鋰離子可以結(jié)合在一起,沿著支架表面擴(kuò)散,從而增強(qiáng)電池持續(xù)產(chǎn)生大電流的能力。
 
       研究人員表示,此種陽極的電流處理能力比商用鋰電池高出5倍。而且,該能力對于需要快速充電大電池,如用于電動汽車上的電池非常有用。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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