与非网 8 月 18 日讯,据悉,美国德州农工大学(Texas A&M University)的研究人员发明了一种可以防止锂电池发热和失效的技术。他们为电池的导电板,即阳极,设计了碳纳米管,可以安全地存储大量锂离子,从而降低起火风险。此外,研究人员还表示,与目前市面上的电池相比,此种具有新型阳极结构的锂电池充电速度也更快。

 

传统的锂离子电池若被刺穿,短路或过度充电,会使电池产生热量,如果温度达到约 150℃,电解质就会着火并引发爆炸 . 为了防止电池爆炸,此前,研究人员通常采取在电解质中加入阻燃剂或在电池过热前发出警报等技术。

 

材料科学系研究生 Juran Noh 表示:“我们为锂电池设计了下一代阳极,能够持续产生大电流,还能够让设备充电速度更快。此外,此种新结构可以防止锂在阳极外堆积,因为堆积的锂久而久之会导致电池两极之间的成分意外接触,这也是导致电池爆炸的主要原因之一。”

 

 

当锂电池被使用时,带电粒子会在电池两极之间移动。锂原子释放的电子会从电池的一边移到另一边。当电池处于充电状态时,锂离子和电子会回到原来所在的那一极。

 

因此,阳极(含有锂离子的导电体)的性质对电池的性质起着决定性的作用。常用的一种阳极材料是石墨,在石墨阳极中,锂离子被插入到石墨层之间。不过,Noh 表示,此种设计限制了阳极可以存储的锂离子数量,甚至在充电时,还需要更多能量将离子从石墨中拉出来。

 

此类电池还有一个更危险的问题。有时,锂离子不会均匀地沉积在阳极上,相反,会在阳极表面堆积成块,形成成为树突的树形结构。随着时间的推移,树突会生长,并最终刺破分隔电池两极的材料,从而会导致电池短路,还有可能让设备着火。生长中的树突也会影响电池的性能,因为它会消耗锂离子,使锂离子无法产生电流。

 

Noh 表示,另一种阳极设计将采用纯锂金属取代石墨。与石墨阳极相比,每单位金属锂阳极所含有的能量密度要高得多。但是,由于也会形成树突,因此也会以同样的方式令电池失效。

 

为了解决该问题,研究人员设计了采用高导电轻质材料——碳纳米管制成的阳极。此类碳纳米管支架含有空间或孔,能够让锂离子进入。但是,此类结构不能顺利与锂离子结合。

 

因此,研究人员又制作了两个表面化学性质略有不同的碳纳米管阳极,一个带有大量可以与锂离子结合的分子基团,另一个也有相同的分子基团但数量较少。研究人员们利用此类阳极制造了电池,以测试电池是否有形成树突的倾向。

 

正如预期的一样,研究人员发现,仅用碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合在一起。因此,虽然几乎没有形成树突,但是电池产生大电流的能力也受到了影响。另一反面,分子基团过多的支架会形成很多树突,从而缩短电池的使用寿命。

 

不过,分子基团数量合适的碳纳米管阳极可以防止树突的形成。此外,大量的锂离子可以结合在一起,沿着支架表面扩散,从而增强电池持续产生大电流的能力。

 

研究人员表示,此种阳极的电流处理能力比商用锂电池高出 5 倍。而且,该能力对于需要快速充电大电池,如用于电动汽车上的电池非常有用。