加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師開發(fā)了一種安全特性，可以防止鋰金屬電池在內(nèi)部短路時迅速升溫并著火。由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授劉平和他的博士生馬修岡薩雷斯領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在《先進材料》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了他們的工作。 鋰金屬電池在性能方面具有很大的潛力，但在目前的形式上很容易發(fā)生故障。
這是由于被稱為樹枝狀晶體的針狀結(jié)構(gòu)的生長所致，該樹枝狀結(jié)構(gòu)在電池充電后在陽極上形成，并且可以刺穿隔板，而隔板是在陽極和陰極之間形成的屏障，可減慢能量和熱量的流動。 當這個障礙被破壞并且電子可以更自由地流動時，它們會產(chǎn)生更多的熱量，并且事情會失控，導(dǎo)致電池過熱、失效、著火甚至爆炸。
科學(xué)家們正在尋求以各種方式解決鋰金屬電池中的這些問題，其中使用超聲波或特殊的保護層來防止枝晶生長只是其中的幾種可能性。 該團隊對電池中被稱為隔膜的部分進行了巧妙的調(diào)整，隔膜是電池正極和負極之間的屏障，這樣一來，當電池短路時，電池內(nèi)部積聚的能量（也就是熱量）流動就會減慢。 論文第一作者岡薩雷斯說：“我們并不是試圖阻止電池故障的發(fā)生。我們只是讓電池變得更加安全，這樣當它發(fā)生故障時，電池就不會災(zāi)難性地著火或bao炸”。
鋰金屬電池在反復(fù)充電后，陽極上會出現(xiàn)樹突的針狀結(jié)構(gòu)。隨著時間的推移，樹突生長得足夠長，穿透隔膜，在陽極和陰極之間架起一座橋梁，導(dǎo)致內(nèi)部短路。當這種情況發(fā)生時，兩個電極之間的電子流動失去控制，導(dǎo)致電池立即過熱并停止工作。
加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組發(fā)明的隔板基本上緩解了這種現(xiàn)象。一面覆蓋著一層薄的、部分導(dǎo)電的碳納米管網(wǎng)，它可以攔截任何形成的樹突。當一個樹突刺穿隔膜并撞擊碳納米管網(wǎng)時，電子就有了一個通道，它們可以慢慢地排出，而不是一下子直接沖向陰極。
岡薩雷斯將新的電池分離器比作大壩上的泄洪道。他說：“當大壩開始潰決的時候，就會打開溢洪道，讓一些水以一種可控的方式流出來。這樣，當大壩真的決堤并外溢的時候，就沒有多少水可以引發(fā)洪水了。這就是我們的分離器的想法，大幅降低電荷的排出速度，防止電子“泛濫”到陰極。當樹突被分離器的導(dǎo)電層攔截時，電池就會開始自我放電，這樣當電池短路時，就沒有足夠的能量來產(chǎn)生危險了。” 其他的電池研究工作集中在用足夠堅固的材料來阻擋樹突的穿透來制造分離器。
但岡薩雷斯說，這種做法的一個問題是，它只是延長了不可避免的結(jié)果。這些分離器仍然需要有孔，讓離子通過，以便電池的工作。因此，當樹突最終通過時，短路將變得更糟。 在測試中，安裝了新分離器的鋰金屬電池在20到30次循環(huán)中顯示出逐漸失效的跡象。與此同時，電池與一個正常（和略厚）分離器經(jīng)歷突然故障在一個周期。 “在一個真實的用例場景中，你不會有任何關(guān)于電池即將失效的預(yù)先警告。前一秒可能還好，下一秒就會著火或完全短路。這是不可預(yù)測的，”岡薩雷斯說?！暗辛宋覀兊姆蛛x器，你就會提前得到警告，電池越來越差，越來越差，越來越差，每次充電都是如此?！?雖然這項研究的重點是鋰金屬電池，研究人員說，這種分離器也可以用于鋰離子和其他電池化學(xué)反應(yīng)。研究小組將致力于優(yōu)化分離器的商業(yè)使用。加州大學(xué)圣地亞哥分校已經(jīng)為研究申請了一項臨時專利。
