美國研發防止鋰電池發熱爆炸新技術 且提升充電速度
時間:2020-08-17 10:17來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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（圖片來源：德州農工大學）
據外媒報道，美國德州農工大學（Texas A&M University）的研究人員發明了一種可以防止鋰電池發熱和失效的技術。他們為電池的導電板，即陽極，設計了碳納米管，可以安全地存儲大量鋰離子，從而降低起火風險。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構的鋰電池充電速度也更快。
材料科學系研究生Juran Noh表示：“我們為鋰電池設計了下一代陽極，能夠持續產生大電流，還能夠讓設備充電速度更快。此外，此種新結構可以防止鋰在陽極外堆積，因為堆積的鋰久而久之會導致電池兩極之間的成分意外接觸，這也是導致電池爆炸的主要原因之一。”
當鋰電池被使用時，帶電粒子會在電池兩極之間移動。鋰原子釋放的電子會從電池的一邊移到另一邊。當電池處于充電狀態時，鋰離子和電子會回到原來所在的那一極。
因此，陽極（含有鋰離子的導電體）的性質對電池的性質起著決定性的作用。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，此種設計限制了陽極可以存儲的鋰離子數量，甚至在充電時，還需要更多能量將離子從石墨中拉出來。
此類電池還有一個更危險的問題。有時，鋰離子不會均勻地沉積在陽極上，相反，會在陽極表面堆積成塊，形成成為樹突的樹形結構。隨著時間的推移，樹突會生長，并最終刺破分隔電池兩極的材料，從而會導致電池短路，還有可能讓設備著火。生長中的樹突也會影響電池的性能，因為它會消耗鋰離子，使鋰離子無法產生電流。
Noh表示，另一種陽極設計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，由于也會形成樹突，因此也會以同樣的方式令電池失效。
為了解決該問題，研究人員設計了采用高導電輕質材料——碳納米管制成的陽極。此類碳納米管支架含有空間或孔，能夠讓鋰離子進入。但是，此類結構不能順利與鋰離子結合。
因此，研究人員又制作了兩個表面化學性質略有不同的碳納米管陽極，一個帶有大量可以與鋰離子結合的分子基團，另一個也有相同的分子基團但數量較少。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。
正如預期的一樣，研究人員發現，僅用碳納米管制成的支架不能很好地與鋰離子結合在一起。因此，雖然幾乎沒有形成樹突，但是電池產生大電流的能力也受到了影響。另一反面，分子基團過多的支架會形成很多樹突，從而縮短電池的使用壽命。
不過，分子基團數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合在一起，沿著支架表面擴散，從而增強電池持續產生大電流的能力。
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，如用于電動汽車上的電池非常有用。
(責任編輯：子蕊)
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