鉅大LARGE | 點擊量：722次 | 2021年12月15日
研究發(fā)現(xiàn)碳納米管作陽極 可降低電池發(fā)熱起火風險
手機電池經(jīng)常發(fā)熱，有時可能會爆裂起火。在大多數(shù)情況下，這類事件背后的罪魁禍首可以追溯到鋰電池。盡管鋰電池能提供持久的電流，可以讓設備保持供電，但它會內(nèi)部短路，使設備發(fā)熱。
德克薩斯農(nóng)工大學的研究人員發(fā)明了一種可以防止鋰電池發(fā)熱和失效的技術。他們將碳納米管設計為電池的導電板，即所謂的陽極，可以安全地儲存大量的鋰離子，從而降低火災風險。此外，他們還表示，他們的新陽極架構(gòu)將幫助鋰電池比目前的商用電池充電更快。
"我們已經(jīng)為鋰電池設計了下一代陽極，它能有效地產(chǎn)生快速為設備充電所需的大電流和持續(xù)電流，"機械工程系ChoonghoYu博士實驗室的材料科學研究生JuranNoh說。"此外，這種新的架構(gòu)還可以防止鋰在陽極外面積聚，隨著時間的推移，會導致電池兩廂內(nèi)容物之間的意外接觸，這是設備爆炸的主要原因之一。"
他們的研究結(jié)果發(fā)表在3月份的《NanoLetters》雜志上。
鋰電池在使用時，帶電粒子在電池的兩個隔層之間移動。鋰原子放棄的電子會從電池的一側(cè)移動到另一側(cè)。另一方面，鋰離子則向另一個方向移動。當給電池充電時，鋰離子和電子會回到原來的隔間。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
因此，陽極的特性，或者說是電池內(nèi)容納鋰離子的導電體，對電池的特性起著決定性的作用。一種常用的陽極材料是石墨。在這些陽極中，鋰離子入到石墨層之間。然而，Noh表示，這種設計限制了陽極內(nèi)可存儲的鋰離子數(shù)量，甚至在充電時需要更多的能量將離子從石墨中拉出來。
這些電池還有一個更隱蔽的問題。有時鋰離子并不是均勻地沉積在陽極上。相反，它們在陽極表面積聚成塊，形成樹狀結(jié)構(gòu)，稱為樹枝狀。隨著時間的推移，樹枝狀物會不斷生長，最終穿透分隔電池兩格的材料。這種枝晶會導致電池短路，并可能使設備著火。增長的樹枝狀物還會通過消耗鋰離子影響電池的性能，使其無法用于產(chǎn)生電流。
Noh表示，另一種陽極設計涉及使用純鋰金屬代替石墨。與石墨陽極相比，那些使用金屬鋰的陽極具有更高的單位質(zhì)量能量密度。但它們也會因為樹枝狀物的形成而以同樣災難性的方式失敗。
為了解決這個問題，Noh和她的隊友們設計了使用被稱為碳納米管的高導電性、輕質(zhì)材料的陽極。這些碳納米管支架包含空間或孔洞，供鋰離子進入并沉積。然而，這些結(jié)構(gòu)并不能有效地與鋰離子結(jié)合。
因此，他們制作了另外兩種表面化學性質(zhì)略有不同的碳納米管陽極，一種摻雜著豐富的可以與鋰離子結(jié)合的分子基團，另一種具有相同的分子基團，但數(shù)量較少。利用這些陽極，他們構(gòu)建了電池來測試形成樹枝狀的傾向。
正如預期的那樣，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。因此，幾乎沒有樹枝狀的形成，但電池產(chǎn)生大電流的能力也受到影響。另一方面，具有過量結(jié)合分子的支架形成了許多樹枝狀，縮短了電池的壽命。
然而，具有最佳數(shù)量的結(jié)合分子的碳納米管陽極可以防止樹枝狀的形成。此外，大量的鋰離子可以沿著支架的表面結(jié)合和擴散，從而提升電池產(chǎn)生大電流、持續(xù)電流的能力。
"當結(jié)合分子基團豐富時，由鋰離子制成的金屬鋰簇最終只會堵塞支架上的孔隙。"Noh說。"但當我們有適量的這些結(jié)合分子時，我們可以在某些地方剛好'解開'碳納米管支架，讓鋰離子通過并結(jié)合在支架的整個表面上，而不是堆積在陽極的外表面并形成樹枝狀。"
Noh表示，他們的性能陽極處理的電流是市售鋰電池的五倍。她指出，這一特點對于大型電池特別有用，例如電動汽車中使用的電池，需要快速充電。
"制造安全且壽命長的金屬鋰陽極是幾十年來的科學挑戰(zhàn)，"Noh說。"我們開發(fā)的陽極克服了這些障礙，是鋰金屬電池商業(yè)應用的重要的一步。"
