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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(shí)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(huì)發(fā)熱，有時(shí)還會(huì)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://www.bbbzqm.com/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(dòng)力，但鋰電池內(nèi)部也會(huì)經(jīng)常短路，導(dǎo)致設(shè)備升溫。
據(jù)外媒報(bào)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(jì)了碳納米管，可以安全地存儲(chǔ)大量鋰離子，從而降低起火風(fēng)險(xiǎn)。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(jì)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?yàn)槎逊e的鋰久而久之會(huì)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(shí)，帶電粒子會(huì)在電池兩極之間移動(dòng)。鋰原子釋放的電子會(huì)從電池的一邊移到另一邊。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，鋰離子和電子會(huì)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(jì)限制了陽極可以存儲(chǔ)的鋰離子數(shù)量，甚至在充電時(shí)，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(gè)更危險(xiǎn)的問題。有時(shí)，鋰離子不會(huì)均勻地沉積在陽極上，相反，會(huì)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(shí)間的推移，樹突會(huì)生長，并最終刺破分隔電池兩極的材料，從而會(huì)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(huì)影響電池的性能，因?yàn)樗鼤?huì)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(jì)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(huì)形成樹突，因此也會(huì)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(jì)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(gè)表面化學(xué)性質(zhì)略有不同的碳納米管陽極，一個(gè)帶有大量可以與鋰離子結(jié)合的分子基團(tuán)，另一個(gè)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(huì)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(dòng)汽車上的電池非常有用。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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