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2020年08月17日 | 美国研发防止锂电池发热爆炸新技术 且提升充电速度
2020-08-17 来源：盖世汽车
汽车、手机电池经常会发热，有时还会起火。在大多数情况下，这类事件背后的罪魁祸首都可以追溯至锂电池。尽管锂电池可持续提供电流，让设备一直有动力，但锂电池内部也会经常短路，导致设备升温。
（图片来源：德州农工大学）
据外媒报道，美国德州农工大学（Texas A&M University）的研究人员发明了一种可以防止锂电池发热和失效的技术。他们为电池的导电板，即阳极，设计了碳纳米管，可以安全地存储大量锂离子，从而降低起火风险。此外，研究人员还表示，与目前市面上的电池相比，此种具有新型阳极结构的锂电池充电速度也更快。
材料科学系研究生Juran Noh表示：“我们为锂电池设计了下一代阳极，能够持续产生大电流，还能够让设备充电速度更快。此外，此种新结构可以防止锂在阳极外堆积，因为堆积的锂久而久之会导致电池两极之间的成分意外接触，这也是导致电池爆炸的主要原因之一。”
当锂电池被使用时，带电粒子会在电池两极之间移动。锂原子释放的电子会从电池的一边移到另一边。当电池处于充电状态时，锂离子和电子会回到原来所在的那一极。
因此，阳极（含有锂离子的导电体）的性质对电池的性质起着决定性的作用。常用的一种阳极材料是石墨，在石墨阳极中，锂离子被插入到石墨层之间。不过，Noh表示，此种设计限制了阳极可以存储的锂离子数量，甚至在充电时，还需要更多能量将离子从石墨中拉出来。
此类电池还有一个更危险的问题。有时，锂离子不会均匀地沉积在阳极上，相反，会在阳极表面堆积成块，形成成为树突的树形结构。随着时间的推移，树突会生长，并最终刺破分隔电池两极的材料，从而会导致电池短路，还有可能让设备着火。生长中的树突也会影响电池的性能，因为它会消耗锂离子，使锂离子无法产生电流。
Noh表示，另一种阳极设计将采用纯锂金属取代石墨。与石墨阳极相比，每单位金属锂阳极所含有的能量密度要高得多。但是，由于也会形成树突，因此也会以同样的方式令电池失效。
为了解决该问题，研究人员设计了采用高导电轻质材料——碳纳米管制成的阳极。此类碳纳米管支架含有空间或孔，能够让锂离子进入。但是，此类结构不能顺利与锂离子结合。
因此，研究人员又制作了两个表面化学性质略有不同的碳纳米管阳极，一个带有大量可以与锂离子结合的分子基团，另一个也有相同的分子基团但数量较少。研究人员们利用此类阳极制造了电池，以测试电池是否有形成树突的倾向。
正如预期的一样，研究人员发现，仅用碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合在一起。因此，虽然几乎没有形成树突，但是电池产生大电流的能力也受到了影响。另一反面，分子基团过多的支架会形成很多树突，从而缩短电池的使用寿命。
不过，分子基团数量合适的碳纳米管阳极可以防止树突的形成。此外，大量的锂离子可以结合在一起，沿着支架表面扩散，从而增强电池持续产生大电流的能力。
研究人员表示，此种阳极的电流处理能力比商用锂电池高出5倍。而且，该能力对于需要快速充电大电池，如用于电动汽车上的电池非常有用。
史海拾趣
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