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新型石墨烯薄膜用于锂离子电池生产

作者:商雪松   来源:   评论:0 点击:

      “悬浮滑板”是一种有趣的自平衡滑板车,却会在使用中起火。有些大学和航空公司因此禁止使用或携带它们。至于起火的元凶就是锂离子电池。这类电池应用广泛,尤其是消费类电子产品,还曾导致电动汽车和运输机起火。由于锂离子电池存在过热的风险,美国政府已经大量召回了这类电池。
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       现在,斯坦福大学的研究人员或许有了解决方案。他们在最近一期的《自然》杂志上发表研究成果,一种会在过热前自动关闭并在温度下降后迅速重启的锂离子电池。合著的著名华裔化学家鲍哲楠指出,这种电池大规模生产的可能性非常之高,它大部分材料都是便宜的塑料和镍,并且电池重启后不会降低效率。
 
       与此同时,全球各地的研究人员都在竞相研发更优秀更便宜的电池,因为其市场需求正在不断增加。由于新的联合国气候协议敦促各国改变对化石能源的依赖,更多通过电池驱动的电动汽车正在进入市场,还有更多的太阳能和风能发电设施需要电池来储存电力以备天气不好的日子所需。
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       所以,全球科学家们研制出了性能各异的电池。比如最近,一个来自劳伦斯伯克利国家实验室的团队称,他们正在研究用新的方法来制造电池阴极以提升性能,阴极是电池的关键组成部分。由于锂电池存在起火隐患,有些研究旨在降低电池起火的风险。去年,一个哈佛大学团队首次发明了一种不易燃的流体电池,这种电池能在外部储液罐中储存电网级别的电能。而麻省理工学院的研究人员发表论文称,用固体替代液体来作为电解液,以提高锂离子电池的安全性。
 
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       有些研究者则在考虑将阻燃剂添加进电解液中,携带带电粒子的电解液位于电池两极之间。去年,斯坦福工程师崔屹制造出一种“智能”电池,能在变得太热之前预警。而本次研究的另一合著者崔屹则表示:“可是很遗憾,这些技术都是不可逆的,因此电池在过热后会失效。”
 
       为了解决这个重大问题,他和同事将目光转向纳米技术。鲍哲楠最近发明了一种用于监测人体体温的可穿戴式传感器,这让崔屹大受启发。将传感器嵌入镍微粒材料,形成表面突出的金属微粒。
 
传统锂离子电池的危险性
 
       高效能锂离子电池是消费电子产品、电动汽车和电网能源储备上最需要的。然而,锂离子电池的能量密度、电力密度和周期数在过去20年中都得到了巨大的提升,电池安全却依然存在着重要的隐患。而当电池遭遇极端状况,电池的高比能量密度能够提升其积极反应能力。传统的锂离子电池(LIBS)是由易燃的有机电解质和电极材料(通常为金属氧化物)所组成,它们可以在熔点130℃-160℃下由多孔聚烯烃分离器分开。这样的电池需要在高电压下工作,超越了热力学稳定性。而大量的热力聚集会导致短路或过度充电,电池隔板被融化,造成电池两级和电解质的放热反应,进而形成毁灭性的“热失控”。
 
安全电池的设计与特性
 
       实验中,研究人员将聚合物薄膜与一个电极连接起来,这样电流可以通过它。为了导电,那些凸起镍颗粒需要彼此接触。但在热膨胀过程中,聚合物薄膜被拉伸,这些镍颗粒就会相互分开,这使得薄膜不再导电,电流就不会通过电池。
 
       然后,研究人员把电池加热到70摄氏度以上后,聚合物薄膜迅速膨胀,镍颗粒相互分开,电池不再工作。但是当电池温度回落到70摄氏度以下,聚合物薄膜收缩,镍颗粒回到相互接触状态,电池开始继续产生电流。他们甚至可以把温度调高或降低,这取决于嵌入了多少镍颗粒以及选择哪种的聚合物材料。
 
温敏性
 
       鲍哲楠团队的研究相较于之前的转换设备,对于温度改变的敏感性高出103-104倍。温敏性聚合物切换物(TRPS)快速且可逆的从内部融进电极中阻止热失控现象。研究者将TRPS涂层加入至少一层的集电器中,形成混合集电器。并且依据改良后的量子穿隧效应,由具有较高热膨胀系数的、带有石墨烯涂层的纳米镍粒子作为填充物和聚合物(比如半结晶聚合物)。这一设计的巧妙之处在于TRPS薄膜的传输价值,研究人员能够通过调整它的组成结构,满足电池所需的温度。
 
导电优势
 
       这个组合的聚合物薄膜能够在室温条件下达到的高导电率。最重要的是,当达到转折温度时,导电率能够在1秒之内降低7~8个数量级,在室温下自然恢复工作。带有自动调节材料的电池装置,能够在异常状态下快速熄灭,比如过热和短路,在不减损性能或热失控的状况下重新正常的运转。在实际的电池模块中,TRPS薄膜也能用于监测电池内部的温度,并使外部控制系统进行更深层的电池保护。一旦进行干预,降至正常温度,电池内部的电阻就会恢复到较小值,而电池能够再一次正常运作。美国阿贡国家实验室能源储存联合研究中心主任表示:“这项研究意义重大,锂离子电池的安全性是电动交通和电网的当务之急,哪怕是概率很小的失控起火都会造成重大影响。”
 
       同时,Crabtree也表示:“尽管斯坦福团队的新奇概念令人印象深刻并且颇有前途,但仍需在更大型的电池系统上经过大量充放电周期的测试才能确保不会发生意外问题。锂离子电池因为没有料到的组件副反应而名声不佳,而嵌有石墨烯涂层镍微粒的聚合物薄膜就是一种全新的电池组件。”尽管更安全的电池即将出炉,但企业家们也正在积极采用其他措施来避免电池起火。在少数特斯拉电动汽车的电池因为碰撞而损毁,并导致车辆起火后,公司联合创始人埃隆·马斯克宣布,将会为系列增加钛合金底盘。目前积水化学等多家原材料供应商正在积极开发应用于高端领域的锂电池技术,相信在未来的不久,新型锂电池技术将从实验室推广到寻常百姓家。
 

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