利用碳納米管網(wǎng)制成新型電池隔膜讓電池變得更加安全

加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師開(kāi)發(fā)了一種安全特性，可以防止鋰金屬電池在內(nèi)部短路時(shí)迅速升溫并著火。由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授劉平和他的博士生馬修岡薩雷斯領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在《先進(jìn)材料》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了他們的工作。

鋰金屬電池在性能方面具有很大的潛力，但在目前的形式上很容易發(fā)生故障。這是由于被稱(chēng)為樹(shù)枝狀晶體的針狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)所致，該樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)在電池充電后在陽(yáng)極上形成，并且可以刺穿隔板，而隔板是在陽(yáng)極和陰極之間形成的屏障，可減慢能量和熱量的流動(dòng)。

當(dāng)這個(gè)障礙被破壞并且電子可以更自由地流動(dòng)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，并且事情會(huì)失控，導(dǎo)致電池過(guò)熱、失效、著火甚至爆炸?？茖W(xué)家們正在尋求以各種方式解決鋰金屬電池中的這些問(wèn)題，其中使用超聲波或特殊的保護(hù)層來(lái)防止枝晶生長(zhǎng)只是其中的幾種可能性。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)電池中被稱(chēng)為隔膜的部分進(jìn)行了巧妙的調(diào)整，隔膜是電池正極和負(fù)極之間的屏障，這樣一來(lái)，當(dāng)電池短路時(shí)，電池內(nèi)部積聚的能量（也就是熱量）流動(dòng)就會(huì)減慢。

論文第一作者岡薩雷斯說(shuō)：“我們并不是試圖阻止電池故障的發(fā)生。我們只是讓電池變得更加安全，這樣當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，電池就不會(huì)災(zāi)難性地著火或爆炸”。

鋰金屬電池在反復(fù)充電后，陽(yáng)極上會(huì)出現(xiàn)樹(shù)突的針狀結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移，樹(shù)突生長(zhǎng)得足夠長(zhǎng)，穿透隔膜，在陽(yáng)極和陰極之間架起一座橋梁，導(dǎo)致內(nèi)部短路。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，兩個(gè)電極之間的電子流動(dòng)失去控制，導(dǎo)致電池立即過(guò)熱并停止工作。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組發(fā)明的隔板基本上緩解了這種現(xiàn)象。一面覆蓋著一層薄的、部分導(dǎo)電的碳納米管網(wǎng)，它可以攔截任何形成的樹(shù)突。當(dāng)一個(gè)樹(shù)突刺穿隔膜并撞擊碳納米管網(wǎng)時(shí)，電子就有了一個(gè)通道，它們可以慢慢地排出，而不是一下子直接沖向陰極。

岡薩雷斯將新的電池分離器比作大壩上的泄洪道。他說(shuō)：“當(dāng)大壩開(kāi)始潰決的時(shí)候，就會(huì)打開(kāi)溢洪道，讓一些水以一種可控的方式流出來(lái)。這樣，當(dāng)大壩真的決堤并外溢的時(shí)候，就沒(méi)有多少水可以引發(fā)洪水了。這就是我們的分離器的想法，大幅降低電荷的排出速度，防止電子“泛濫”到陰極。當(dāng)樹(shù)突被分離器的導(dǎo)電層攔截時(shí)，電池就會(huì)開(kāi)始自我放電，這樣當(dāng)電池短路時(shí)，就沒(méi)有足夠的能量來(lái)產(chǎn)生危險(xiǎn)了。”

其他的電池研究工作集中在用足夠堅(jiān)固的材料來(lái)阻擋樹(shù)突的穿透來(lái)制造分離器。但岡薩雷斯說(shuō)，這種做法的一個(gè)問(wèn)題是，它只是延長(zhǎng)了不可避免的結(jié)果。這些分離器仍然需要有孔，讓離子通過(guò)，以便電池的工作。因此，當(dāng)樹(shù)突最終通過(guò)時(shí)，短路將變得更糟。

在測(cè)試中，安裝了新分離器的鋰金屬電池在20到30次循環(huán)中顯示出逐漸失效的跡象。與此同時(shí)，電池與一個(gè)正常（和略厚）分離器經(jīng)歷突然故障在一個(gè)周期。

“在一個(gè)真實(shí)的用例場(chǎng)景中，你不會(huì)有任何關(guān)于電池即將失效的預(yù)先警告。前一秒可能還好，下一秒就會(huì)著火或完全短路。這是不可預(yù)測(cè)的，”岡薩雷斯說(shuō)。“但有了我們的分離器，你就會(huì)提前得到警告，電池越來(lái)越差，越來(lái)越差，越來(lái)越差，每次充電都是如此?！?/p>

雖然這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是鋰金屬電池，研究人員說(shuō)，這種分離器也可以用于鋰離子和其他電池化學(xué)反應(yīng)。研究小組將致力于優(yōu)化分離器的商業(yè)使用。加州大學(xué)圣地亞哥分校已經(jīng)為研究申請(qǐng)了一項(xiàng)臨時(shí)專(zhuān)利。

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