加州大學利用碳奈米管網製造新型電池隔膜 避免電池過熱爆炸

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Lieferant von tragbaren Kraftwerken

加州大學聖地牙哥分校的奈米工程師開發出一種安全功能，可以防止鋰金屬電池在短路時迅速升溫並起火。 美國加州大學聖地牙哥分校奈米工程系教授劉平在《先進材料》雜誌上發表的一篇論文中詳細介紹了他們的工作。 鋰金屬電池在性能上具有巨大的潛力，但目前的形式很容易出現故障。

這是由於被稱為樹枝狀晶體的針狀結構的生長所致，電池充電後在負極上形成樹枝狀晶體，並且能夠刺穿隔膜，在負極與正極之間形成隔膜。 屏障，減緩能量和熱流。 當這個障礙被破壞，電子可以更自由地流動時，它們會產生更多的卡路里，事情就會失去控制，導致電池過熱、故障、起火甚至爆炸。

科學家正在尋求透過多種方式解決鋰金屬電池中的這些問題，其中超音波或特殊保護層使用超音波或特殊保護層只是少數可能性。 研究團隊已經清理了電池中被稱為隔膜的部分。 隔膜是正極與負極之間的屏障，使得電池短路的時候，電池內累積的能量（也就是熱）的流出減慢。

論文第一作者驚呼：「我們並沒有試圖阻止電池故障。 我們只是讓電池更安全，這樣當電池故障時，就不會起火或爆炸。 鋰金屬電池經過多次充電後，負極會出現老化現象。

隨著時間的推移，樹枝狀晶體生長得足夠長，穿透隔膜，在陽極和陰極之間架起一座橋樑，導致內部短路。 當這種情況發生時，兩個電極之間的電子流失去控制，導致電池過熱並停止工作。 加州大學聖地牙哥分校的研究團隊基本上鬆了一口氣。

一側覆蓋一層薄薄的、部分導電的碳奈米管網絡，可以攔截任何樹突的形成。 當樹枝狀的物質黏在隔膜上，撞擊到碳奈米管網上時，電子就有了通道，可以慢慢放電，而不是直接流向陰極。 岡薩雷斯將新的電池隔板與大壩上的排水路徑進行比較。

他說：「當水壩開始緩衝時，你就會打開溢流閥，讓一些水以可控的方式流出。 這樣，當大壩真正成為水庫時，能引發洪水的水就不多了。 這就是我們的隔膜的構思，它大大降低了電荷的放電速度，防止電子「湧入」陰極。

當樹枝狀晶體被隔膜的導電層攔截時，電池就會開始放電，因此當電池短路時，沒有足夠的能量來造成危險。 「其他電池研究工作則集中在用足夠強度的材料阻止枝晶的滲透。 但岡薩雷斯表示，這種方法的一個問題是，它只是延續了不可避免的結果。

這些隔板仍然需要良好地允許離子通過，從而使電池工作。 因此，當最終經過這棵樹時，短路的情況會變得更加嚴重。 試驗中，裝在新型隔膜上的鋰金屬電池在20至30次循環後，便出現了逐漸失效的跡象。

同時，電池和正常（且稍厚）的隔板在一次循環中突然出現故障。 「在真實的案例場景中，你不會得到任何有關電池即將失效的預警。 前一秒可能還好，下一秒就可能著火或完全短路。

這是不可預測的，」岡薩雷斯說。 「但有了我們的分離器，你會提前得到警告，情況會越來越糟，越來越糟，越來越糟，。 「儘管這項研究的重點是鋰金屬電池，但研究人員表示，這種隔離膜也可以用於鋰離子和其他電池化學反應。

研究團隊將致力於優化該隔膜的商業化應用。 加州大學聖地牙哥分校已為該研究申請了臨時專利。