科学家研发新型柔性锂离子电池 可被切割但不会起火

据外媒报道，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory）的一组研究人员设计了一种柔性锂离子电池，即使在被切割、被浸没、被模拟弹道撞击等极端条件下，该电池都可正常工作，而且现在，该电池还不会着火。

（图片来源：约翰·霍普金斯大学应用物理实验室）

目前的锂离子电池都由易燃和可燃材料制成，很容易发生灾难性的火灾和爆炸事件，其中大多数是没有任何可辨别的警告就突然发生了。由于具备危险性，三星Galaxy Note7手机就被禁止在飞机上使用，海军也禁止在船上和潜艇上使用电子烟，以减轻此类易燃设备的危险性。

而随着此类电池已经逐渐成为便携式电子设备、电动汽车和电网存储等应用的首选储能工具，因而能够提升其安全性将标志着锂离子电池生产和使用方式的重大转变。

最近，在《化学通讯》杂志上，由APL研究和探索开发部的Konstantinos Gerasopoulos领导的研究小组公布了发现：一种新型water-in-salt（WiS）和water-in-bisalt（WiBS）电解质，当与聚合物基质合并，可以减少水的活动，提高电池的能量，延长其生命周期，同时消除目前锂离子电池中易燃、有毒、高活性的溶剂。研究人员表示，该种电解质是一种安全、强大的替代品。

APL高级研究科学家兼首席研究员Gerasopoulos表示：“从手机到汽车，锂离子电池已经成为日常生活中的常见品，继续提高其安全性对进一步促进储能技术的发展至关重要。自20世纪90年代初期，锂离子电池实现商业化以来，其形状因数都没有发生太大的变化，我们还是采用相同的圆柱形或菱形电池芯，其中的液体电解质和所需的密封包装与此种形状有莫大的关系。”

“我们研究小组致力于采用一种安全性和形状因数都得到改进的聚合物替代易燃的液体电解质，而且最近的论文表示，基于水的柔性聚合物锂离子电池可以在露天环境下制造和操作，而且其可用性和性能都得到了改善。”

在新研究中，团队克服了液态WiBS电解质的限制。由于存在水，液态WiBS电解质本质上是安全的，但是其能量有限，与大多数商用阳极材料无法兼容。研究人员研发了“稳定的、基于WiBS的水性凝胶聚合物电解质（GPEs）。在WiBS存在的情况下，研究人员通过UV介导，聚合水溶性丙烯酸酯从而制成此种电解质。”

科学家们证明，UV固化工艺以及在聚合物中集成WiBS可改善游离水的滞留性，而滞留性将由该聚合物负责协调，从而可以提升其电化学稳定性。研究人员表示：“我们首次证明，目前市场上广泛使用的低成本阳极纳米级钛酸锂（Li4Ti5O12，LTO）可用于水性聚合物锂离子电池，而且能够可靠地循环100多次。”

2017年，研究人员曾研发出具突破性的柔性电池，此次研发的新型聚合物电解质进一步提升了此种电池的损伤容限。

Gerasopoulos表示：“第一代柔性电池在尺寸上不如我们现在制造的电池那样稳定。我们研发的UV固化聚合物是一种独立、机械强度高的薄膜，类似于隐形眼镜。此类电池就算完全暴露在空气中，都可以连续工作几天。而且可以烧、切割它们，或者以其他方式对它们施加压力，它们也仍然可以工作。”

“我们成功提高了GPE的机械强度和电化学稳定性，能够将此种新型过饱和水凝胶聚合物电解质（GPE）从概念验证过渡至实际应用。”

APL材料科学项目区域主管Jeff Maranchi表示：“我们的团队在不断提高柔性锂离子电池的安全性和性能，而且我们希望在一年内能够将该新研究转变成原型。”