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內置滅火功能的鋰離子電池?


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Image: Yusheng Ye/Stanford UniversityIn a study at Stanford and SLAC, lithium-ion pouch batteries made with today’s commercial current collectors (top row) caught fire when exposed to an open flame and burned vigorously until all the electrolyte burned away. Batteries with the new flame-retardant collectors (bottom row) produced weak flames that went out within a few seconds, and did not flare up again even when the scientists tried to relight them.

如果電池研究領域有超級巨星,那麼可以確定的是,有一位是定要擁有姓名的— 那就是斯坦福大學的科學家Yi Cui,他所在的研究小組多年來在電池技術方面取得了一些重大突破。

現在,Cui 和他的研究團隊與SLAC 國家加速器實驗室合作,圍繞一種新的聚合物材料為鋰離子電池提供了一些令人興奮的新功能,而這種聚合物材料正被用於鋰離子電池的集電器中。研究人員稱,這種新的集電器設計提高了鋰離子電池的效率,並降低了與這些電池相關的火災風險。

集電器是一種薄金屬箔,它將電流分配給蓄電池中的電極。通常這些金屬箔是由銅製成的。 Cui 和他的團隊重新設計了這些電流收集器,使它們仍然主要由銅製成,但現在被一種聚合物包圍。

斯坦福大學的研究小組在發表在Nature Energy 雜誌上的研究報告中稱,這種聚合物使電流收集器輕了80%,導致能量密度從16% 增加到26%。這比鋰離子電池的平均能量密度年增長率有了顯著的提高,而鋰離子電池似乎永遠都保持在每年5% 的水平。

這種減輕電池重量的方法是一種提高能量密度的新方法。在過去的幾年裡,我們已經看到了許多嘗試,通過使用新的電極材料,如Nano結構矽來代替活性炭來增加電極的表面積,從而提高能量密度。雖然增加的表面積可能會增加充電容量,但能量密度是通過電池總重量的總能量來計算的。

斯坦福大學研究員、本研究的合著者Yusheng Ye 解釋說:“集電器不影響總能量,但會增加電池的總重量。這就是為什麼我們稱集電器為電池的’自重’,而不是電極材料的’有效重量’。”

內置滅火功能的鋰離子電池?

Image: Yusheng Ye/Stanford UniversityScientists at Stanford and SLAC redesigned current conductors, thin metal foils that distribute current to and from electrodes, to make lithium-ion batteries lighter, safer and more efficient. They replaced the all-copper conductor, middle, with a layer of lightweight polymer coated in ultrathin copper (top right), and embedded fire retardant in the polymer layer to quench flames (bottom right).

通過減輕集電器的重量,即使電池的總能量幾乎不變,也可以提高能量密度。儘管這項研究提供了更高的能量密度,但它並不能完全緩解與電動汽車相關的所謂的“距離焦慮症”,即人們擔心在到達下一個充電位置之前電力耗盡。雖然新聞稿聲稱這項工作將擴大電動汽車的使用範圍,但Ye 指出,這項最新發展中的具體能源改進是基於電池本身。因此,電動汽車的續航里程可能只有10% 左右的提升。

Ye 說:“例如,為了將航程從400 英里提高到600 英里,需要做更多的工程工作,同時考慮到電池的活性部分需要與我們的超輕型集電器一起解決。”

除了提高能量密度效率外,聚合物電荷收集器有望幫助減少鋰離子電池引起的火災。當然,傳統的銅集電器本身不會對電池銷毀產生影響。鋰離子電池的銷毀問題與電解液和隔膜有關,它們未在建議的溫度和電壓窗口內使用。

Ye 說:“我們新型集電器的一個關鍵創新在於,我們能夠在不犧牲集電器的能量密度和機械強度的情況下,將阻燃劑嵌入其中。每當電池出現銷毀問題時,我們的集電器會立即釋放阻燃劑並滅火。傳統的銅或鋁集電器無法實現這種功能。”集電器立即釋放阻燃劑,可以防止電池發生爆炸等危害。整個過程僅有幾秒鐘,即便是重新嘗試點燃,也無法再次出現火焰。

研究人員已經獲得了這項技術的專利,並正在與電池製造商討論商業化問題。 Cui 和他的團隊已經計算出了採用這種聚合物的一些成本,它們看起來很有吸引力。據Ye 介紹,這種聚合物Compound電荷收集器的成本在每平方米1.3 美元左右,比銅箔的成本低一點,銅箔的成本在每平方米1.4 美元左右。有了這些令人鼓舞的數字,”Ye 補充說:“我們預計工業界將在未來幾年內採用這種技術。 ”

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