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简述传统锂离子电池的危险性

   次浏览   钜大LARGE   2021-07-23

高效能锂离子电池是消费电子产品、电动汽车和电网能源储备上最需要的。然而,锂离子电池的能量密度、电力密度和周期数在过去20年中都得到了巨大的提升,电池安全却依然存在着重要的隐患。而当电池遭遇极端状况,电池的高比能量密度能够提升其积极反应能力。

传统的锂离子电池(LIBS)是由易燃的有机电解质和电极材料(通常为金属氧化物)所组成,它们可以在熔点130℃-160℃下由多孔聚烯烃分离器分开。这样的电池需要在高电压下工作,超越了热力学稳定性。而大量的热力聚集会导致短路或过度充电,电池隔板被融化,造成电池两级和电解质的放热反应,进而形成毁灭性的“热失控”。

 传统锂离子电池的危险性

安全电池的设计与特性

实验中,研究人员将聚合物薄膜与一个电极连接起来,这样电流可以通过它。为了导电,那些凸起镍颗粒需要彼此接触。但在热膨胀过程中,聚合物薄膜被拉伸,这些镍颗粒就会相互分开,这使得薄膜不再导电,电流就不会通过电池。

然后,研究人员把电池加热到70摄氏度以上后,聚合物薄膜迅速膨胀,镍颗粒相互分开,电池不再工作。但是当电池温度回落到70摄氏度以下,聚合物薄膜收缩,镍颗粒回到相互接触状态,电池开始继续产生电流。他们甚至可以把温度调高或降低,这取决于嵌入了多少镍颗粒以及选择哪种的聚合物材料。

温敏性

鲍哲楠团队的研究相较于之前的转换设备,对于温度改变的敏感性高出103-104倍。温敏性聚合物切换物(TRPS)快速且可逆的从内部融进电极中阻止热失控现象。研究者将TRPS涂层加入至少一层的集电器中,形成混合集电器。并且依据改良后的量子穿隧效应,由具有较高热膨胀系数的、带有石墨烯涂层的纳米镍粒子作为填充物和聚合物(比如半结晶聚合物)。这一设计的巧妙之处在于TRPS薄膜的传输价值,研究人员能够通过调整它的组成结构,满足电池所需的温度。

导电优势

这个组合的聚合物薄膜能够在室温条件下达到的高导电率。最重要的是,当达到转折温度时,导电率能够在1秒之内降低7-8个数量级,在室温下自然恢复工作。带有自动调节材料的电池装置,能够在异常状态下快速熄灭,比如过热和短路,在不减损性能或热失控的状况下重新正常的运转。在实际的电池模块中,TRPS薄膜也能用于监测电池内部的温度,并使外部控制系统进行更深层的电池保护。一旦进行干预,降至正常温度,电池内部的电阻就会恢复到较小值,而电池能够再一次正常运作。

美国阿贡国家实验室能源储存联合研究中心主任表示:“这项研究意义重大,锂离子电池的安全性是电动交通和电网的当务之急,哪怕是概率很小的失控起火都会造成重大影响。”

同时,Crabtree也表示:“尽管斯坦福团队的新奇概念令人印象深刻并且颇有前途,但仍需在更大型的电池系统上经过大量充放电周期的测试才能确保不会发生意外问题。锂离子电池因为没有料到的组件副反应而名声不佳,而嵌有石墨烯涂层镍微粒的聚合物薄膜就是一种全新的电池组件。”

尽管更安全的电池即将出炉,但企业家们也正在积极采用其他措施来避免电池起火。在少数特斯拉电动汽车的电池因为碰撞而损毁,并导致车辆起火后,公司联合创始人埃隆·马斯克宣布,将会为系列增加钛合金底盘。

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