鉅大LARGE | 點擊量：2546次 | 2021年10月21日
“防彈”電池：芳綸薄膜用于制造更輕薄可靠的鋰離子電池
由密歇根大學研發的新型電池技術應該可以有效阻止諸如發生在2013年波音787夢幻客機上的這類起火事件再次發生。所謂“新型”就在于在鋰離子電池兩極之間存在一個更加先進的隔離層。
新型電池使用了提取自用于防彈衣的剛性材料芳綸的納米纖維，從而可以有效抑制電池內金屬卷須的生成。金屬卷須往往會在電池內形成有害的電路。
來自密西根大學的研究團隊也成立了位于美國密歇根州安阿伯市的Elegus科技公司，以將這項研究從實驗室推向市場。預計將于2016年第四個季度開始量產。
約瑟夫B.佛羅倫薩訴塞加卡工程學教授NicholasKotov說：“芳綸是一種絕緣體，這與諸如碳納米管這類超硬材料所不同。而絕緣性有關阻止電池兩極短路的隔離材料來說是必不可少的。”
鋰離子電池的工作過程就是鋰離子在電池內兩極之間的脫嵌和嵌入的移動過程。這一過程會在兩極間出現電荷的不平衡，而電子又無法通過正負兩極間的隔離膜，于是電子只能通過電池外部回路移動，同時做出有用功。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
但假如兩極間的隔離膜上的孔洞尺寸過大，鋰原子就會聚集形成如樹藤一般的枝晶，枝晶會進一步刺破兩極間的隔離膜。一旦枝晶由一極到達另一極時，就在電池內部形成電子回路，導致電池短路。這被認為是波音787電池起火事件的誘因。
“樹藤結構由于具有納米頂端很難被阻止。所以有關芳綸纖維薄膜來說最重要的是形成比頂端尺寸更小的空隙。”Kotov's實驗室的研究生、Elegus首席科技官SiuOnTung這樣說到。
一般其他材料的隔離膜上的孔徑大概是幾百納米或者說幾十萬分之一厘米，而密歇根大學所研發的薄膜上孔徑只有15-20納米。15-20納米的孔徑足夠允許單個鋰離子的通過，卻可以阻止直徑在20-50納米的枝晶頂端通過。
研究人員通過將纖維彼此緊密堆疊制備出芳綸纖維薄膜。這種方法可以使纖維中的鏈狀大分子充分伸展，從而極大的有利于電極間鋰離子的導通。
工程師DanVanderLey說道：“這種材料的特性在于，我們可以把它制的很薄。這樣我們在電池尺寸相同時可以儲存更多的能量，或者可以減小電池的尺寸。我們看到人們有關制出更薄的產品很感興趣。”目前已有三十家公司聯系索要材料的樣品。”
此外，芳綸的耐熱性很好，與目前使用的其他薄膜材料相比更能抵抗大火，這樣會保證電池更加安全。
雖然研究小組目前對薄膜阻擋鋰枝晶的能力表示滿意，但他們仍在尋找提高鋰離子流動的方法，使得電池能夠更快的充放電。這項題為“Adendrite-suppressingsolidionconductorfromarananofibers”的研究已發表在一月二十七日的期刊《自然通訊》上。
這項研究重要得到了美國自然科學基金會旗下化學、生物工程、環境和運輸系統及創新公司的資金支持，部分資助還來自美國海軍研究辦公室和美國空軍科學研究辦公室。前文Kotov教授是一名化學工程、生物醫學工程、材料科學與工程以及高分子科學和工程教授。
原標題:“防彈”電池：芳綸薄膜用于制造更輕薄可靠的鋰離子電池
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