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納米金剛石阻止鋰離子電池短路
導讀:   盡管鋰離子電池廣泛應用于從手機到筆記本電腦等移動設備,并且是目前商業電池中壽命最長的一種,但是由于移動設備的短路,近來鋰離子電池也遭遇了一些崩潰和火災。為了防止更多的這些危險事故的發生,德雷克塞爾大學的研究人員開發了一種方法,將電解液(大多數電池的關鍵部件)轉化為防止導致電池類似災害的化學物質。

盡管鋰離子電池廣泛應用于從手機到筆記本電腦等移動設備,并且是目前商業電池中壽命最長的一種,但是由于移動設備的短路,近來鋰離子電池也遭遇了一些崩潰和火災。為了防止更多的這些危險事故的發生,德雷克塞爾大學的研究人員開發了一種方法,將電解液(大多數電池的關鍵部件)轉化為防止導致電池類似災害的化學物質。

德雷塞爾大學工程學院教授Yury Gogotsi及其材料科學與工程系的研究團隊最近發表了一篇關于自然通訊工作的論文。在文中,他們描述了通過納米金剛石 - 比頭發直徑小10,000倍的微小金剛石顆粒,來減少電鍍產生的電化學沉積,這種電化學沉積有可能會導致鋰離子電池短路。

隨著電池的反復使用和充電,電化學反應導致離子在電池的兩個電極之間來回移動,這是電流產生的本質。隨著時間的推移,這種離子的重新定位可以產生類似卷須的積聚—就像在洞內形成的鐘乳石。這些稱為枝晶的電池積聚是鋰離子電池發生故障的主要原因之一。

隨著時間的推移,隨著電池內部的樹枝狀結構的形成,它們可以達到其穿過隔板的點,這種多孔聚合物膜可以有效防止電池帶正電的部分接觸帶負電的部分。當該分離器被破壞時,則可能會發生短路,也可能導致火災,因為大多數鋰離子電池中的電解質溶液都是高度易燃的。

為了避免樹枝狀結構的形成,降低火災的概率,目前的電池電極是由一個充滿鋰的石墨制成的電極,而不是純鋰。使用石墨作為鋰的主體可以幫助防止樹突的形成,但是鋰嵌入的石墨會比純鋰儲存的能量低約10倍。 Gogotsi團隊的突破意味著現在可以通過在純鋰電極中消除枝晶形成來大大增加能量儲存。

“電池安全問題是這項研究的關鍵,”Gogotsi說。 “手表中的小一次電池使用的是鋰陽極,但它們只能放電一次,當您一次又一次地充電時,樹突開始增長,可能有幾個安全周期,但遲早會發生短路,我們想消除或至少最小化這種可能性。“

Gogotsi和他在北京的清華大學和中國武漢的Hauzhong科技大學的合作者正在專注于使鋰陽極更加穩定,并且電鍍更均勻,從而不會增長樹突。

他們通過在電池中的電解質溶液中加入納米金剛石來做到這一點。納米金剛石已經在電鍍工業中作為一種使金屬涂層更為均勻的方式,已經使用了一段時間。雖然它們比珠寶商案例中的鉆石要小得多而且更便宜,但納米金剛石仍然保留了昂貴的祖細胞的規則結構和形狀。當它們沉積時,它們自然地一起滑動并形成光滑的表面。

研究人員發現這種性質對于消除枝晶形成非常有用。他們在文中解釋說,鋰離子可以很容易地附著到納米金剛石上,所以當離子平板化電極時,它們以與其所連接的納米金剛石顆粒以相同的方式進行。在報告中提到,將納米金剛石混入鋰離子電池的電解液中,通過100次充電 - 放電循環將樹枝狀結構減慢到零。

這就像一個俄羅斯方塊游戲:一堆不匹配的塊在危險的接近“游戲結束”中相當于一個樹突。將納米金剛石添加到混合物中就像使用代碼將每個新塊滑動到適當的位置以完成線并防止形成威脅塔。

Gogotsi指出,他們團隊的發現只是一個過程的開始,最終可以找到合適的電解質添加劑,如廣泛用于生產具有高能量密度的安全鋰電池的納米金剛石。初始結果已經顯示出長達200小時的穩定的充放電循環,這足以在一些工業或軍事應用中使用,但對于在膝上型電腦或手機中使用的電池來說不足夠長。研究人員還需要在不同的物理條件和溫度下在足夠長的時間內測試大量的電池,以確保枝晶永遠不會生長。

Gogotsi說:“這可能是隨機變化的,但不能完全確定樹突不會增長。” “我們預計這次提出的技術的首次使用將會在不太關鍵的應用領域中,而不是在手機或汽車電池中。為了確保安全性,電解質添加劑(如納米金剛石)需要與其他預防措施相結合,如阻燃電解質、更安全的電極材料和更強的分離器等。

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