加州大学利用碳纳米管网制造新型电池隔膜 避免电池过热爆炸

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加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发出一种安全功能，可以防止锂金属电池在短路时迅速升温并起火。 美国加州大学圣地亚哥分校纳米工程系教授刘平在《先进材料》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了他们的工作。 锂金属电池在性能上具有巨大的潜力，但目前的形式很容易出现故障。

这是由于被称为树枝状晶体的针状结构的生长所致，电池充电后在负极上形成树枝状晶体，并且能够刺穿隔膜，在负极与正极之间形成隔膜。 屏障，减缓能量和热流。 当这个障碍被破坏，电子可以更自由地流动时，它们会产生更多的卡路里，事情就会失去控制，导致电池过热、故障、起火甚至爆炸。

科学家们正在寻求通过多种方式解决锂金属电池中的这些问题，其中超声波或特殊保护层使用超声波或特殊保护层只是少数可能性。 研究团队已经清理了电池中被称为隔膜的部分。 隔膜是正极与负极之间的一道屏障，使得在电池短路的时候，电池内积累的能量（也就是热量）的流出减慢。

论文第一作者惊呼：“我们并没有试图阻止电池故障。 我们只是让电池更安全，这样当电池出现故障时，不会起火或爆炸。 锂金属电池经过多次充电后，负极会出现老化现象。

随着时间的推移，树枝状晶体生长得足够长，穿透隔膜，在阳极和阴极之间架起一座桥梁，导致内部短路。 当这种情况发生时，两个电极之间的电子流失去控制，导致电池过热并停止工作。 加州大学圣地亚哥分校的研究团队基本松了一口气。

一侧覆盖一层薄薄的、部分导电的碳纳米管网络，可以拦截任何树突的形成。 当树枝状的物质粘在隔膜上，撞击到碳纳米管网上时，电子就有了通道，可以慢慢放电，而不是直接流向阴极。 冈萨雷斯将新的电池隔板与大坝上的排水路径进行比较。

他说：“当大坝开始缓冲时，你就会打开溢流阀，让一些水以可控的方式流出。 这样，当大坝真正成为水库时，能引发洪水的水就不多了。 这就是我们的隔膜的构思，它大大降低了电荷的放电速度，防止电子“涌入”阴极。

当树枝状晶体被隔膜的导电层拦截时，电池就会开始放电，因此当电池短路时，没有足够的能量来造成危险。 “其他电池研究工作集中在用足够强度的材料阻止枝晶的渗透。 但冈萨雷斯表示，这种方法的一个问题是，它只是延续了不可避免的结果。

这些隔板仍然需要良好地允许离子通过，从而使电池工作。 因此，当最终经过这棵树时，短路的情况会变得更加严重。 试验中，安装有新型隔膜的锂金属电池在20至30次循环后出现逐渐失效的迹象。

同时，电池和正常（且稍厚）的隔板在一次循环中突然出现故障。 “在真实的案例场景中，你不会得到任何有关电池即将失效的预警。 前一秒可能还好，下一秒就可能着火或者彻底短路。

这是不可预测的，”冈萨雷斯说。 “但是有了我们的分离器，你会提前得到警告，情况会越来越糟，越来越糟，越来越糟，。 “尽管这项研究的重点是锂金属电池，但研究人员表示，这种隔膜也可以用于锂离子和其他电池化学反应。

研究团队将致力于优化该隔膜的商业化应用。 加州大学圣地亚哥分校已为该研究申请了临时专利。