(圖片來(lái)源:德州農(nóng)工大學(xué))
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電池經(jīng)常會(huì)發(fā)熱,有時(shí)還會(huì)起火。在大多數(shù)情況下,這類事件背后的罪魁禍?zhǔn)锥伎梢宰匪葜龄?a href='http://kqcgw.com/shushuo/dc/' target='_blank'>
電池。盡管鋰電池可持續(xù)提供電流,讓設(shè)備一直有動(dòng)力,但鋰電池內(nèi)部也會(huì)經(jīng)常短路,導(dǎo)致設(shè)備升溫。
據(jù)外媒報(bào)道,美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)的研究人員發(fā)明了一種可以防止鋰電池發(fā)熱和失效的技術(shù)。他們?yōu)殡姵氐膶?dǎo)電板,即陽(yáng)極,設(shè)計(jì)了碳納米管,可以安全地存儲(chǔ)大量鋰離子,從而降低起火風(fēng)險(xiǎn)。此外,研究人員還表示,與目前市面上的電池相比,此種具有新型陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的鋰電池充電速度也更快。
材料科學(xué)系研究生Juran Noh表示:“我們?yōu)殇囯姵卦O(shè)計(jì)了下一代陽(yáng)極,能夠持續(xù)產(chǎn)生大電流,還能夠讓設(shè)備充電速度更快。此外,此種新結(jié)構(gòu)可以防止鋰在陽(yáng)極外堆積,因?yàn)槎逊e的鋰久而久之會(huì)導(dǎo)致電池兩極之間的成分意外接觸,這也是導(dǎo)致電池爆炸的主要原因之一。”
當(dāng)鋰電池被使用時(shí),帶電粒子會(huì)在電池兩極之間移動(dòng)。鋰原子釋放的電子會(huì)從電池的一邊移到另一邊。當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí),鋰離子和電子會(huì)回到原來(lái)所在的那一極。
因此,陽(yáng)極(含有鋰離子的導(dǎo)電體)的性質(zhì)對(duì)電池的性質(zhì)起著決定性的作用。常用的一種陽(yáng)極材料是石墨,在石墨陽(yáng)極中,鋰離子被插入到石墨層之間。不過(guò),Noh表示,此種設(shè)計(jì)限制了陽(yáng)極可以存儲(chǔ)的鋰離子數(shù)量,甚至在充電時(shí),還需要更多能量將離子從石墨中拉出來(lái)。
此類電池還有一個(gè)更危險(xiǎn)的問(wèn)題。有時(shí),鋰離子不會(huì)均勻地沉積在陽(yáng)極上,相反,會(huì)在陽(yáng)極表面堆積成塊,形成成為樹突的樹形結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移,樹突會(huì)生長(zhǎng),并最終刺破分隔電池兩極的材料,從而會(huì)導(dǎo)致電池短路,還有可能讓設(shè)備著火。生長(zhǎng)中的樹突也會(huì)影響電池的性能,因?yàn)樗鼤?huì)消耗鋰離子,使鋰離子無(wú)法產(chǎn)生電流。
Noh表示,另一種陽(yáng)極設(shè)計(jì)將采用純鋰金屬取代石墨。與石墨陽(yáng)極相比,每單位金屬鋰陽(yáng)極所含有的能量密度要高得多。但是,由于也會(huì)形成樹突,因此也會(huì)以同樣的方式令電池失效。
為了解決該問(wèn)題,研究人員設(shè)計(jì)了采用高導(dǎo)電輕質(zhì)材料——碳納米管制成的陽(yáng)極。此類碳納米管支架含有空間或孔,能夠讓鋰離子進(jìn)入。但是,此類結(jié)構(gòu)不能順利與鋰離子結(jié)合。
因此,研究人員又制作了兩個(gè)表面化學(xué)性質(zhì)略有不同的碳納米管陽(yáng)極,一個(gè)帶有大量可以與鋰離子結(jié)合的分子基團(tuán),另一個(gè)也有相同的分子基團(tuán)但數(shù)量較少。研究人員們利用此類陽(yáng)極制造了電池,以測(cè)試電池是否有形成樹突的傾向。
正如預(yù)期的一樣,研究人員發(fā)現(xiàn),僅用碳納米管制成的支架不能很好地與鋰離子結(jié)合在一起。因此,雖然幾乎沒有形成樹突,但是電池產(chǎn)生大電流的能力也受到了影響。另一反面,分子基團(tuán)過(guò)多的支架會(huì)形成很多樹突,從而縮短電池的使用壽命。
不過(guò),分子基團(tuán)數(shù)量合適的碳納米管陽(yáng)極可以防止樹突的形成。此外,大量的鋰離子可以結(jié)合在一起,沿著支架表面擴(kuò)散,從而增強(qiáng)電池持續(xù)產(chǎn)生大電流的能力。
研究人員表示,此種陽(yáng)極的電流處理能力比商用鋰電池高出5倍。而且,該能力對(duì)于需要快速充電大電池,如用于電動(dòng)汽車上的電池非常有用。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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