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斯坦福大學(xué) | 有鹽的阻燃鋰離子電池

指南者留學(xué) 2022-12-08 09:14:04 閱讀量：1567

可充電鋰離子電池為手機(jī)、筆記本電腦、其他個(gè)人電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，甚至還被用于儲(chǔ)存太陽能電池板產(chǎn)生的能量。但如果這些電池的溫度升高過高，它們就會(huì)停止工作并起火。   這在一定程度上是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部的電解質(zhì)是易燃的，它在電池充放電時(shí)在兩個(gè)電極之間運(yùn)送鋰離子。   “電池行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是安全問題，所以我們花了很多努力來制造一種安全的電池電解質(zhì)。”斯坦福大學(xué)研究生Rachel Z Huang說，她是11月30日在Matter上發(fā)表的一篇報(bào)告的第一作者。   黃與能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的其他19名研究人員一起開發(fā)了一種用于鋰離子電池的不易燃電解質(zhì)。他們的工作表明，含有這種電解質(zhì)的電池在高溫下繼續(xù)工作而不會(huì)起火。   他們的秘密嗎?更多的鹽。   咸的安全 傳統(tǒng)的鋰離子電池電解質(zhì)是由溶解在液態(tài)有機(jī)溶劑(如醚或碳酸鹽)中的鋰鹽制成的。雖然這種溶劑通過幫助鋰離子移動(dòng)來提高電池性能，但它也是潛在的導(dǎo)火索。   電池在工作時(shí)產(chǎn)生熱量。如果電池有穿孔或缺陷，它會(huì)迅速升溫。當(dāng)溫度超過140華氏度時(shí)，電解液中的溶劑小分子開始蒸發(fā)，從液體轉(zhuǎn)化為氣體，使電池像氣球一樣膨脹，直到氣體著火，整個(gè)電池都燃燒起來。   在過去的30年里，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了不易燃的電解質(zhì)，例如聚合物電解質(zhì)，它使用聚合物基質(zhì)代替經(jīng)典的鹽溶劑溶液來移動(dòng)離子。然而，這些更安全的替代品不像液體溶劑那樣有效地移動(dòng)離子，因此它們的性能還比不上傳統(tǒng)電解質(zhì)。<img src="https://www6.slac.stanford.edu/sites/default/files/styles/centered/public/2022-12/RachelHuang.jpg?itok=fZVWGKRN" alt="Rachel Huang working in the lab." width="808" height="538" />  該團(tuán)隊(duì)希望生產(chǎn)一種基于聚合物的電解質(zhì)，既能提供安全性，又能提供性能。黃有了一個(gè)主意。   她決定在斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者賴建成(jiancheng Lai)設(shè)計(jì)和合成的聚合物電解質(zhì)中盡可能多地添加一種名為LiFSI的鋰鹽。賴建成是這篇論文的共同第一作者。   黃說:“我只是想看看我能加多少，并測試一下極限。”通常，基于聚合物的電解質(zhì)中鹽的重量不到50%。黃將這一數(shù)字提高到63%，創(chuàng)造了有史以來最咸的聚合物電解質(zhì)之一。   與其他聚合物電解質(zhì)不同，這種電解質(zhì)還含有易燃的溶劑分子。然而，在鋰離子電池的測試中，被稱為溶劑錨定不可燃電解質(zhì)(SAFE)的整體電解質(zhì)在高溫下被證明不可燃。   SAFE起作用是因?yàn)槿軇┖望}共同作用。這種溶劑分子有助于離子的傳導(dǎo)，其性能與含有傳統(tǒng)電解質(zhì)的電池相當(dāng)。但是，不像大多數(shù)鋰離子電池那樣在高溫下失效，含有SAFE的電池可以在77-212華氏度的溫度下繼續(xù)工作。   同時(shí)，大量添加的鹽充當(dāng)了溶劑分子的錨，防止它們蒸發(fā)和著火。<img src="https://www6.slac.stanford.edu/sites/default/files/styles/centered/public/2022-12/firesafe_electrolyte_sv_photos_final_highres_0.jpg?itok=kGIUywEx" alt="Standard battery materials catch fire when exposed to flame, but a new material does not." width="808" height="202" />  “這一新發(fā)現(xiàn)為基于聚合物的電解質(zhì)設(shè)計(jì)指出了一種新的思維方式，”斯坦福大學(xué)教授、斯坦福材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)研究員鮑哲南(Zhenan Bao)說，他是黃的顧問。“這種電解質(zhì)對于開發(fā)高能量密度和安全的未來電池非常重要。”   保持粘性 基于聚合物的電解質(zhì)可以是固體或液體。重要的是，SAFE中的溶劑和鹽使其聚合物基質(zhì)塑化，使其成為一種粘稠的液體，就像傳統(tǒng)的電解質(zhì)一樣。   一個(gè)好處是:這種粘稠的電解質(zhì)可以放入現(xiàn)有的、市售的鋰離子電池部件中，而不像其他已經(jīng)出現(xiàn)的不易燃電解質(zhì)。例如，固態(tài)陶瓷電解質(zhì)必須使用特殊設(shè)計(jì)的電極，這使得它們的生產(chǎn)成本很高。   “有了外管局，就不需要改變?nèi)魏紊a(chǎn)設(shè)置。”黃說。“當(dāng)然，如果將其用于生產(chǎn)，則需要對電解液進(jìn)行優(yōu)化以適應(yīng)生產(chǎn)線，但工作量比其他任何系統(tǒng)都要小得多。”   斯坦福大學(xué)SLAC和斯坦福大學(xué)的教授，同時(shí)也是黃的顧問的SIMES研究員Yi Cui說:“這種非常令人興奮的新型電池電解質(zhì)與現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)兼容，將對消費(fèi)電子產(chǎn)品和電力運(yùn)輸產(chǎn)生重大影響。”   SAFE的一個(gè)應(yīng)用可能是電動(dòng)汽車。   如果電動(dòng)汽車中的多個(gè)鋰離子電池靠得太近，它們會(huì)相互加熱，最終可能導(dǎo)致過熱和火災(zāi)。但是，如果一輛電動(dòng)汽車的電池中充滿了像SAFE這樣在高溫下穩(wěn)定的電解質(zhì)，那么它的電池就可以緊密地放在一起，而不用擔(dān)心過熱。   除了降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，這還意味著冷卻系統(tǒng)占用的空間更少，電池的空間更大。更多的電池會(huì)增加整體能量密度，這意味著汽車充電間隔時(shí)間可以更長。   “所以這不僅僅是一個(gè)安全的好處，”黃說。“這種電解質(zhì)也可以讓你裝進(jìn)更多的電池。”   時(shí)間會(huì)告訴我們，還有哪些電池驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品會(huì)更安全一點(diǎn)。   該研究由美國能源部能源效率和可再生能源辦公室在電池材料研究計(jì)劃和電池500聯(lián)盟下資助。   引用本文:Huang et al.， Matter, 2022年11月30日(10.1016/j.mat .2022.11.003)   如有問題或意見，請聯(lián)系SLAC通信辦公室communications@slac.stanford.edu。   SLAC是一個(gè)充滿活力的多項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室，探索宇宙如何在最大、最小和最快的尺度上運(yùn)行，并發(fā)明了全球科學(xué)家使用的強(qiáng)大工具。通過研究粒子物理學(xué)，天體物理學(xué)和宇宙學(xué)，材料，化學(xué)，生物和能源科學(xué)以及科學(xué)計(jì)算，我們幫助解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，促進(jìn)國家的利益。   SLAC由斯坦福大學(xué)為美國能源部科學(xué)辦公室運(yùn)營?？茖W(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，并致力于解決我們這個(gè)時(shí)代一些最緊迫的挑戰(zhàn)。   <blockquote> 注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。 </blockquote>

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