帮锂离子电池加装「溢洪道」,有效避免失控连锁反应-

帮锂离子电池加装「溢洪道」,有效避免失控连锁反应

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目前许多科学家正绞尽脑汁想提高锂离子电池的安全性,致力降低电池过热爆炸风险,这时候,他们首先要解决的头号难题为充放电过程中生成的「锂晶枝问题」,对此,加州大学圣地牙哥分校(UCSD)已透过「溢洪道」概念,有效防止失控反应。

锂离子电池备受欢迎,与传统的电池技术相比,锂电池充电速度更快、续航力更久,并且具有更高的功率密度。手机之所以能小巧轻便,体积小高功率的锂电池功不可没,只是锂电池并非完美无缺,随着充放电次数增加,电极会形成尖刺树枝状的锂晶枝,最终将长到足以刺穿减缓电流和热量的隔离膜,使电池内部短路,缩短使用寿命。

而抑制锂晶枝的方法有许多种,包括利用电解质添加剂、多维立体电流收集器、隔离膜表面改质等方法,但都有处理程序複杂及循环寿命效果不佳等问题,为此现在科学家也有提出新方法,像是用超音波或特殊保护层来防止晶枝生长。

对此 UCSD 团队则带来另一种方法,决定微调电池的隔离膜。锂离子电池主要由两个电极,电极之间的电解质与隔离膜组成,离子首先会从锂阴极(正极)出发,经过电解质与隔离膜最后抵达石墨阳极(负极)。

团队将导电奈米碳管附涂在隔离膜上,当枝晶形成并刺穿隔离膜时,电子就会聚集在奈米碳管上,缓慢地从电池释出,这种方法就如同避免水坝溃堤的「溢洪道」一样,藉由宣洩超过水库容量的水,避免水溢顶破坏水坝。

论文的第一作者 Matthew Gonzalez 表示,新型隔离膜会缓慢地排出过多的电荷,同时还可防止电子「溢出」到阴极那一侧,当它拦截到锂晶枝时,电池会开始自放电,因此电池短路时就不会有足够的能量爆炸。

在测试中,装有全新隔离膜的锂电池劣化过程是缓慢且渐进式,在充放电 20 到 30 次内慢慢退化,但若是採用传统隔板,电池可能会在某一循环中突然坏掉。团队表示,过去电池爆炸之前,不会有任何的警告,可能前一秒还很正常,下一秒钟就起火,这是完全无法预测的,採用新型隔离膜就会有预先警示。

  • Modified battery separator acts as a “spillway” to prevent fires  
  • ‘Spillway’ for electrons could keep lithium metal batteries from catching fire
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