科學(xué)家開(kāi)發(fā)新技術(shù),可使鋰離子電池的能量密度增加26%

斯坦福大學(xué)和能源部的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們采用一種全新的方法來(lái)使鋰離子電池更輕、更安全和更高效。重新設(shè)計(jì)的電池組件被稱(chēng)為集電器的銅或鋁箔片，并且他們的重量減輕了80％，同時(shí)也能撲滅大火。

研究人員說(shuō)，如果這項(xiàng)技術(shù)被采用，它可以實(shí)現(xiàn)電池研究的兩個(gè)主要目標(biāo)：擴(kuò)展電動(dòng)汽車(chē)的行駛范圍；降低筆記本電腦、手機(jī)和其他設(shè)備起火的危險(xiǎn)。當(dāng)電池被超高速充電時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致更多類(lèi)型的電池?fù)p壞，從而導(dǎo)致火災(zāi)。

研究小組在10月15日的《自然能源》上描述了他們的工作。

“電流收集器一直被認(rèn)為是自重的，直到現(xiàn)在還沒(méi)有成功地利用它來(lái)提高電池的性能，”斯坦福大學(xué)和斯坦福大學(xué)的教授兼斯坦福材料和能源科學(xué)研究所（SIMES）的研究員Yi Cui說(shuō)。

“但在我們的研究中，將收集器重量減輕80%可使鋰離子電池的能量密度增加16-26%。”與近年來(lái)3%的平均增幅相比，這是一個(gè)很大的飛躍?！?/p>

無(wú)論是圓柱形還是袋形，鋰離子電池都有兩個(gè)電流收集器，每個(gè)電極一個(gè)。它們分布著流入或流出電極的電流，在一些大功率或超薄電池中，它們的重量占15%到50%。減少電池的重量本身是可取的，這樣可以使設(shè)備更輕，并減少電動(dòng)汽車(chē)必須拖著的重量;每一特定重量存儲(chǔ)更多的能量，使得電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)在兩次充電之間可以運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。

減少電池重量和易燃性也可以通過(guò)降低運(yùn)輸回收電池的成本對(duì)回收產(chǎn)生很大影響，崔說(shuō)。

電池行業(yè)研究人員一直試圖降低電流收集器的重量使它們更薄更多孔，但這些嘗試有不必要的副作用，如使電池更脆弱或化學(xué)不穩(wěn)定或要求更多的電解液，提高了成本，說(shuō)浴你們，崔的實(shí)驗(yàn)室的一位博士后研究員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與訪問(wèn)學(xué)者Lien-Yang周。

至于安全問(wèn)題，他說(shuō)，“人們也嘗試在電池電解液中添加阻燃劑，這是易燃的部分，但你只能添加這么多，否則它就會(huì)變得粘稠，不再能很好地傳導(dǎo)離子?！?/p>

設(shè)計(jì)一個(gè)聚合箔三明治

在對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了頭腦風(fēng)暴之后，崔、葉和研究生劉亞元設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，以一種叫做聚酰亞胺的輕質(zhì)聚合物為基礎(chǔ)，來(lái)制造和測(cè)試電流收集器。聚酰亞胺可以防火，并能承受快速充電產(chǎn)生的高溫。阻燃劑磷酸三苯酯（tpp）被嵌入到聚合物中，然后在聚合物的兩面都涂上一層超薄的銅。銅不僅能完成通常的電流分配工作，還能保護(hù)聚合物及其阻燃劑。

葉說(shuō)，與目前的版本相比，這些改變將電流收集器的重量減輕了80%，這意味著各種類(lèi)型的電池的能量密度增加了16-26%，而且它的導(dǎo)流性能和普通收集器一樣好，不會(huì)退化。

葉說(shuō)，當(dāng)用打火機(jī)做的袋式電池暴露在明火下時(shí)，會(huì)著火并劇烈燃燒，直到電解質(zhì)全部燃燒殆盡。但在裝有新型阻燃劑收集器的電池中，火從來(lái)沒(méi)有真正燃燒起來(lái)，產(chǎn)生的火焰非常微弱，幾秒鐘內(nèi)就熄滅了，即使當(dāng)科學(xué)家試圖重新點(diǎn)燃它時(shí)，它也沒(méi)有再次燃燒起來(lái)。

崔說(shuō)，這種方法的一大優(yōu)點(diǎn)是，新的集電極制造起來(lái)容易，而且價(jià)格便宜，因?yàn)樗靡环N便宜的聚合物取代了部分銅。他說(shuō)，因此將其擴(kuò)大到商業(yè)生產(chǎn)，“應(yīng)該是非?？尚械?。”研究人員已經(jīng)通過(guò)斯坦福大學(xué)申請(qǐng)了專(zhuān)利，崔說(shuō)他們將聯(lián)系電池制造商來(lái)探索這種可能性。
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