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鋰電池技術關鍵突破:水淹火燒重擊短路都不炸!
責編: 發布時間:2020-03-31 08:49:15 瀏覽次數:

   約翰霍普金斯大學應用物理實驗室科學家Konstantinos Gerasopoulo的團隊,創造了一種新的鋰電池。在保持性能的前提下,這種新電池不怕水泡、不怕火燒、不怕折疊或重擊,甚至能像紙片一樣隨意裁剪隨意折疊,即使短路也還能繼續使用。要是它能普及,你可能就再也看不到“xx品牌手機爆炸”的新聞了。這簡直是消費電子行業大救星,機場安檢人員的福報啊。


   這種新的鋰電池最逆天的屬性,就是:耐造。首先,普通電池一旦被短路,報廢算好的,沒爆炸著火都是福大命大。但這種新電池,短路之后,你把它短路的地方斷開,它不僅不會發生危險,甚至還能繼續充放電循環將近100小時。而且,在地球上的絕大多數惡劣環境下,這種新電池都能撐得住,不僅不會像傳統鋰電池一樣爆炸,能保證安全;甚至還能繼續工作供電。比如說,被折疊的時候,它本來就是軟的,你可以隨便玩弄,把它團成球、搓成卷,設置成任何形狀,甚至裝在衣服里面都沒問題。而且,這種新電池也不怕外部破壞,用剪刀剪掉一塊,再放進鹽水里,它不會被剪壞,還耐腐蝕,仍然可以供電。

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   既然不怕鹽水,那把它裝在用于水下的探測設備里也是十分可行的了。甚至,在模擬彈道撞擊的實驗里,電池依然能保證運行。這就再也不用擔心電池跌落或者遭到撞擊時著火了,有了這個特性,它將來或許能用在軍事設施上,成為即使在槍林彈雨中可以運轉的設備。甚至你簡單粗暴的直接放火燒也沒啥問題。研究人員直接把電池燒焦,然后把燒焦的部分剪下來,剩下的部分還能持續使用100小時。不怕水,不怕火,不怕撞擊,不怕短路,真是打不死的小強。

   核心秘密在哪里?那么,為什么這款電池這么強悍,還不會起火爆炸呢?造成傳統鋰電池起火最重要的一個原因就是電解質。由于鋰的活性很高,使用鋰離子的電池的時候,我們需要將正負極分離開。如果它們之間的隔膜受到外力作用被刺穿,將會造成短路。而鋰電池的電解質一般是易燃有毒的有機溶劑,很快在短路產生的巨大熱量下燃燒起來。為了防止鋰電池起火,科學家們想出了各種方法,比如不可燃的水代替有機電解質,代價卻是損失電池的性能。用水做電解質的鋰電池電壓低、能量密度低,一般電壓不超過2V,能量密度不超過70Wh/kg。原因就在于電池的水實在太多了。所以如何降低這種電池中的水含量成了關鍵問題。

   近年來,科學家們發現了一種在水中溶劑度極高的鋰鹽,叫做“雙(三氟甲磺?;?酰亞胺鋰”(LiTFSI),可以將電池的穩定放電窗口提高到3.0V。由于溶液中鹽的含量甚至超過了水,所以被叫做“鹽包水”電池(WiS或WiBS)。來自約翰霍普金斯大學的科學家們發現,還可以進一步突破“鹽包水”電池的極限。他們把鋰鹽溶液放在一種聚丙烯酸類的凝膠中。用一種凝膠的物質巧妙地解決了這個問題。聚丙烯酸是一種特別能“藏水”的聚合物,在生活中也很常見,我們玩的彩色吸水珠,主要成分就是它。當然,電池里的物質不是吸水珠,而是由聚丙烯酸酯為前體,用紫外光照射使之聚合,生成的MPEGA和PEGDA交聯體。
由于這種物質中含有大量的羥基,可以把鋰鹽水溶液鎖在其中。將凝膠電池進一步處理后得到的濃縮凝膠鹽包水電池(C-W-GPE)的問題放電窗口已經達到了4.1V,和我們現在手機普遍使用的電池相當。

   當然,還沒到馬上應用的時候。這種新型電池,還需要進一步的技術提升,因為現在只能充放電循環100次,研究人員們準備調整一下電解質來解決這個問題。有意思的是,就在2019年,鋰電池的發明者Goodenough——“棒的很”老爺子,也獲得了2019年諾貝爾獎。
 
   但是在鋰電池進化的這條道路上,我們還有很長的路要走。光是正極材料就有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等,每種材料的安全性、壽命、能量密度各有不同,不同廠家都在發展自己的技術。

   針對鋰電池的安全性就有不同的解決方案,JHU的這種方法并非著眼于正負極材料,而是將電解質換成安全性更高的凝膠,更難能可貴的是電池在經歷各種破壞時也不會發生危險,甚至之后還能正常使用,這就給廣大依賴鋰電池的產品和設備,帶來了福音,特別是電動車,鋰電池的“安全感”,始終是車主和乘客最擔心的環節。
 
                                                                                                                   
                                                                                                                (來源:量子位)
                     
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