鉅大LARGE | 點擊量：746次 | 2021年12月17日
斯坦福大學(xué)重新設(shè)計電池集電器，德州農(nóng)工大學(xué)創(chuàng)造碳納米管支架克服鋰離子電池過熱故障
技術(shù)領(lǐng)域雜亂無章地充斥著所謂"更好的"電池的承諾，這些電池在實驗室里看起來很有前途，但在商業(yè)上卻沒有成功，假設(shè)在實際商業(yè)化之前，甚至有人試圖將其擴大到試運行。雖然未能實現(xiàn)飛躍的原因和電池進步本身一樣五花八門，但這并不意味著創(chuàng)新者已經(jīng)停止了嘗試。
現(xiàn)在，兩個不相關(guān)的研究團隊--一個在斯坦福大學(xué)/SLAC，另一個在德克薩斯農(nóng)工大學(xué)--已經(jīng)設(shè)計出了他們所說的將更安全、更好的電池。這些進展解決了這種鋰基(Li-ion)電化學(xué)儲能庫的雙重現(xiàn)實--其高能量密度和與這種密度相關(guān)的風(fēng)險。
斯坦福大學(xué)的一個團隊與能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員合作，重新設(shè)計了電池中的銅箔或鋁箔薄片，稱為集電器（最重的電池部件之一），使它們的重量減少了80%，并能立即熄滅任何發(fā)生的火災(zāi)。這些集流器分配流進或流出電極的電流，占一些大功率或超薄電池重量的15%到50%。
該團隊建立了以輕質(zhì)聚酰亞胺聚合物為基礎(chǔ)的電流收集器的制作和測試實驗，這種聚合物具有耐火性，并能承受電池快速充電所產(chǎn)生的高溫。聚合物中還嵌入了一種阻燃劑-磷酸三苯酯，或稱TPP；隨后在其兩面涂上一層超薄的銅（圖1）。
1.重新設(shè)計的電流導(dǎo)體（將電流分配到電極和從電極出來的薄金屬箔）使鋰離子電池更輕、更安全、更高效。他們用涂有超薄銅的輕質(zhì)聚合物層（右上）取代了全銅導(dǎo)體（中間），并在聚合物層中嵌入阻燃劑以熄滅火焰（右下）。(來源：葉玉生/斯坦福大學(xué))
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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，銅既完成了分配電流的作用，又保護了聚合物及其內(nèi)部的阻燃劑，對抑制火災(zāi)和發(fā)火非常有效（圖2）。
2.當(dāng)暴露在明火中時，用今天的商用集電體制造的鋰離子袋式電池(上排)會起火并劇烈燃燒，直到所有的電解液燒掉。使用新型阻燃集電體的電池（下排）產(chǎn)生的微弱火焰在幾秒鐘內(nèi)就熄滅了，即使科學(xué)家們試圖重新點燃它們，也沒有再次燃起。(來源：葉玉生/斯坦福大學(xué))
與現(xiàn)在的版本相比，這一變化使目前的集電體重量減輕了80%。博士后研究員葉玉生指出，這"相當(dāng)于在各種類型的電池中增加了16%到26%的能量密度，而且它的電流傳導(dǎo)能力和普通集電體一樣好，沒有退化"。
領(lǐng)導(dǎo)這項研究的SLAC和斯坦福大學(xué)教授YiCui補充道："電流收集器一直被認為是死物，直到現(xiàn)在還沒有成功地利用它來提高電池性能。人們也曾嘗試在電池電解液中添加阻燃劑，也就是易燃部分，但你只能添加這么多，然后它就會變得粘稠，不再能很好地傳導(dǎo)離子。"
他們在《自然》雜志上的論文"Ultralightandfire-inguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries"中詳細介紹了這項工作，同時還提供了補充資料和許多視頻（雖然主論文在付費墻后，但這里有它的預(yù)印本）。研究人員還申請了專利。這項工作得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室、車輛技術(shù)辦公室根據(jù)鋰離子電池的eXtreme快速充電電池評估（XCEL）項目的支持。
德州農(nóng)工大學(xué)的CNT方法
在德州農(nóng)工大學(xué)，研究人員創(chuàng)造了一種防止鋰電池過熱和失效的技術(shù)。他們?yōu)殡姵卦O(shè)計的碳納米管(CNT)能夠安全地儲存大量的鋰離子，從而降低火災(zāi)風(fēng)險。此外，它還將幫助鋰電池的充電速度快于目前的市售電池。
"這種新的架構(gòu)可以防止鋰在陽極外積聚，隨著時間的推移，會導(dǎo)致電池兩廂內(nèi)容物之間的意外接觸，這是設(shè)備爆炸的主要原因之一，"該團隊的材料科學(xué)研究生JuranNoh說。
研究人員試圖克服眾所周知的樹枝狀問題，它們的生長最終會穿透分隔電池兩格的材料，導(dǎo)致短路，從而導(dǎo)致電池點燃。長出的樹枝狀物還會消耗鋰離子，使其無法用于產(chǎn)生電流流，從而對電池的性能產(chǎn)生不利影響。
該團隊設(shè)計了使用碳納米管作為支架的陽極，其上有空間或孔洞，供鋰離子進入和沉積。不過這些結(jié)構(gòu)不容易與鋰離子結(jié)合，這不僅阻礙了樹枝生長，也阻礙了電池提供大電流的能力。
然而，用最佳數(shù)量的結(jié)合分子對CNT陽極進行額外的"微調(diào)"，防止了樹枝狀物的形成，使大量的鋰離子能夠結(jié)合并沿著支架的表面擴散（圖3）。這增強了電池產(chǎn)生大電流、持續(xù)電流的能力。
3.德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的團隊創(chuàng)造了一種碳納米管支架，它能最大限度地減少樹枝生長，同時還能為鋰離子提供必要的結(jié)合面。(來源：德州農(nóng)工大學(xué))
正如Noh所指出的那樣，"當(dāng)我們擁有適量的這些結(jié)合分子時，我們就可以在某些地方'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，而不是聚集在陽極的外表面并形成樹枝狀。"
在他們的過程中，他們將鋰插入到多孔、三維、CNT結(jié)構(gòu)中，其表面被改變?yōu)榫哂锌咒?、親鋰和雜化的恐鋰/親鋰特性（"恐鋰"指的是材料"潤濕"表面的能力或傾向）。他們的結(jié)果顯示了16mAh/cm2的高面積容量，以及8mA/cm2的電流密度，但卻沒有明顯的樹枝形形成或體積膨脹（另一個常見的電池問題）。
為了分析他們的制造效果，他們進行了電壓/電流曲線的in-operando研究（in-operando是指"一種分析方法，即對正在進行反應(yīng)的材料進行表征的同時，還要對催化活性進行測量"，比更著名的原位分析更為先進）。
