新型锂电池充电速度更快,降低设备爆炸风险

放大  缩小 日期:2020-07-17     来源:腾讯网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:【电池材料】手机电池经常发热,有时会起火。在大多数情况下,此类事件背后的罪魁祸首可追溯到锂电池。尽管锂电池提供长效电流,可以保持设备通电,但内部可能会短路,使设备升温。德克萨斯AM大学的研究人员发明了一

电池材料】手机电池经常发热,有时会起火。在大多数情况下,此类事件背后的罪魁祸首可追溯到锂电池。尽管锂电池提供长效电流,可以保持设备通电,但内部可能会短路,使设备升温。

德克萨斯A&M大学的研究人员发明了一种可以防止锂电池加热和故障的技术。其碳纳米管设计为电池的导电板,称为阳极,使大量的锂离子的安全存储,从而降低了火灾的风险。此外,他们说,他们新的阳极结构将帮助锂电池充电速度比目前商用的电池更快。

电池材料

 显示锂电池与阳极信用的新碳纳米管架构的示意图

"我们为锂电池设计了下一代阳极,能够高效生产快速充电设备所需的大而持久的电流,"J. Mike Walker'66 系 J. Mike Walker '66 系材料科学研究生 Juran Noh 说。此外,这种新架构可防止锂在阳极外积聚,随着时间的推移,阳极的两个隔间内层之间可能会意外接触,这是设备爆炸的主要原因之一。

他们的研究结果发表在3月出版的《纳米快报》上。

使用锂电池时,带电粒子在电池的两个隔间之间移动。锂原子放弃的电子从电池的一侧移动到另一侧。另一方面,锂离子向另一个方向移动。为电池充电时,锂离子和电子会回到原来的隔间。

因此,阳极的特性,或电池内容纳锂离子的导体,在电池的特性中起着决定性的作用。常用的阳极材料是石墨。在这些阳极中,锂离子入石墨层之间。然而,Noh说,这种设计限制了在阳极内可以储存的锂离子的数量,甚至需要更多的能量来在充电期间将离子从石墨中拉出。

这些电池也有一个更阴险的问题。有时锂离子不能均匀地沉积在阳极上。相反,它们堆积在阳极表面的块状,形成树状结构,称为树突。随着时间的推移,树突会生长并最终穿透分离电池两个隔间的材料。此违规导致电池短路,并可能使设备着火。不断增长的树突也会消耗锂离子,从而影响电池的性能,使其无法产生电流。

Noh说,另一种阳极设计涉及使用纯锂金属而不是石墨。与石墨阳极相比,锂金属的单位质量或能量密度的能量含量要高得多。但是,由于树突的形成,它们也可以以同样的灾难性方式失败。

为了解决这个问题,Noh和她的队友们设计了阳极,使用高导电的轻质材料,称为碳纳米管。这些碳纳米管脚手架包含空间或孔隙,用于锂离子进入和沉积。然而,这些结构不能有利地与锂离子结合。

因此,他们制作了另外两个表面化学略有不同的碳纳米管阳极——一个带有大量分子群,可以与锂离子结合,另一个分子组相同,但数量较小。有了这些阳极,他们制造电池来测试形成树突的倾向。

不出所料,研究人员发现,仅仅用碳纳米管制造的脚手架与锂离子没有很好地结合。因此,几乎没有树突形成,但电池产生大电流的能力也受到损害。另一方面,具有过多结合分子的脚手架形成了许多树突,缩短了电池的使用寿命。

然而,具有最优数量的结合分子的碳纳米管阳极阻止了树突的形成。此外,大量的锂离子可以沿脚手架表面结合和扩散,从而提高电池产生大而持久的电流的能力。

"当结合分子组丰富时,由锂离子制成的锂金属簇最终只是堵塞了脚手架上的毛孔,"Noh说。"但是,当我们拥有相当数量的这些结合分子时,我们可以在某些地方"解压缩"碳纳米管支架,让锂离子通过并结合到脚手架的整个表面,而不是积聚在阳极的外表面,形成树突。

Noh说,他们性能最佳的阳极处理电流是商用锂电池的五倍。她指出,此功能对于需要快速充电的大型电池(如电动汽车中使用的电池)特别有用。

"制造安全且使用寿命长的锂金属阳极数十年来一直是科学挑战,"Noh说。"我们开发的阳极克服了这些障碍,是迈向锂金属电池商业应用的重要第一步。

 
 
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