科學家制造出了一款“堅不可摧”的鋰離子電池 安全不爆炸

發布時間:2020-01-22 11:00    來源:36氪
 

關鍵詞:鋰離子電池 儲能 電解液

摘要:鋰離子電池,以其特有的性能優勢在各種便攜式移動電子設備中得到普遍應用。大容量鋰離子電池也已經用于對電動汽車領域,甚至還將在衛星、航空航天以及儲能等方面得到應用。然而,前幾年卻頻頻爆出三星Note7手機爆炸的新聞,其背后的主要原因也是因為鋰離子電池的易燃性。前幾天,《連線》(WIRED)刊登了一篇令人振奮人心的新聞,文章原標題為Scientists Made a Nearly Invincible Lithium-Ion Battery,文中介紹了美國科學家制造出的一款全新堅不可摧的鋰離子電池。

  鋰離子電池,以其特有的性能優勢在各種便攜式移動電子設備中得到普遍應用。大容量鋰離子電池也已經用于對電動汽車領域,甚至還將在衛星、航空航天以及儲能等方面得到應用。然而,前幾年卻頻頻爆出三星Note7手機爆炸的新聞,其背后的主要原因也是因為鋰離子電池的易燃性。前幾天,《連線》(WIRED)刊登了一篇令人振奮人心的新聞,文章原標題為Scientists Made a Nearly Invincible Lithium-Ion Battery,作者DANIEL OBERHAUS在文中介紹了美國科學家制造出的一款全新堅不可摧的鋰離子電池。

  鋰離子電池幾乎重新塑造了整個現代世界。無論是手機、筆記本電腦,還是電子煙、電動汽車,它都是其可重復充電電子組件中的核心要素。

  雖然鋰離子電池的電能儲存效果較優,同時具有高能量密度,但這并不能說明它是完美的選擇。因為制造鋰離子電池必須依靠有毒易燃材料,所以即便是最小的缺陷,都可能會導致有關設備的爆炸。

  一組由約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)的物理學家組成的研究人員認為,針對現有的鋰離子電池安全問題,完全有能力進一步改進。

  過去五年以來,他們也一直在研發一款看似不會出現安全問題的新型鋰離子電池。2017年,他們連同馬里蘭大學(University of Maryland)的研究人員,共同推出了一款可以切割、射擊、彎曲甚至浸泡的新型鋰離子電池,而且還能保持其持續放電。

  2019年底,約翰霍普金斯大學的團隊還進行了進一步改良升級,使這款電池具有防火性能,并且將其電壓也提高到了與同等商業產品相當的水平。當然,這可能也會讓三星公司十足嫉妒。

  該應用物理實驗室負責這項研究的高級科學家康斯坦提諾絲·格拉索潑羅斯(Konstantinos Gerasopoulos)稱,要制造這款堅不可摧的電池,其核心在于電解液,即在電池的正負極之間起傳導離子作用的化學混合物。

  當你在使用鋰離子電池時,帶電鋰粒子會穿過電解液的阻礙,從電池一端的陽極(負極)到達另一端的陰極(正極),并在其中產生化學反應、產生能量。

  該應用物理實驗室的材料科學項目經理杰夫·馬蘭奇(Jeff Maranchi)稱,大多數鋰離子電解液都是易燃鋰鹽和有毒液體的混合物,這意味著“如今的鋰離子化學行業中,存在著潛在的災難風險”。

  如果這種將電池陽極與陰極分隔開的可滲透阻礙損壞的話,那就會造成短路,同時產生大量熱量。當所有這些熱量接觸到電池中富氧陰極旁的極度易燃材料(如鋰離子電解液)后,那你手上就會拿著一個燃燒著的電子設備。

  水性電池可以避免所有的這些問題,畢竟電解液本來就是水性的,因此既不易燃又無毒。雖然水性電池已經存在了大約25年了,但其功效實在太弱,所以也起不到太大作用。

  該應用物理實驗室所發現的是,如果增加鋰鹽濃度,并且將電解液與一種聚合物(一種看起來像極度柔軟的塑料的材料),他們就可以將電勢從1.2伏提高到4伏,達到與商用鋰離子電池同等的水平。

  當格拉索潑羅斯和他的同事們將一款商用電池的陽極與陰極與這個像塑料的電解液相連接后,他們成功地制造出了一款市面上從來沒見過的鋰離子電池。

  這個電池外觀透明,具有隱形眼鏡的柔韌性,同時無毒且不易燃,無論是制作和使用,都可以在露天沒有外殼的情況下進行。除此之外,它還能承受幾乎任何一種“虐待”。

  該款全新電池核心的電解液,是由鋰鹽和不易燃燒或爆炸的柔軟塑料型材料的混合物而成。

  在針對這款電池的測試過程中,該應用物理實驗室團隊嘗試過將樣本浸入鹽水中、用剪刀剪開、使用空氣炮模擬彈道沖擊,最后還用火點燃。在每輪測試中,電池一直保持著正常放電。在其中一項用火點燃測試后,實驗人員將燒焦部分切除,剩余部分仍然正常使用了約100小時。

  馬蘭奇還稱,這種新型的水性電池也不只存在并于實驗室中,其團隊已經在接觸多名未公開身份的制造商。這些制造商表示,他們可以輕松地將這款全新化學材料及形狀因素融入至現有的鋰離子電池生成線上。據馬蘭奇稱,不用兩年時間,它就可以投入商用市場,甚至能運用到之前未曾涉及過的領域之中。

  因為其柔韌性的優勢,所以也可以將其集成至可穿戴電子設備中,甚至最后還可以直接植入到衣服纖維中。

  其在強度和耐用等方面的優勢,也暗示了其可以在許多軍事和科技應用中的新用途,比如無人駕駛水下航行器,無人機以及衛星等。

  當然,目前這款電池也存在一些技術障礙,比如增加水性電池同樣面臨的充電周期問題。通常而言,智能手機的電池可以實現超過1000次充放次數,但這款新型電池卻在充放次數到100次過后,就會出現電勢能的損失。

  格拉索潑羅斯說,針對電解液化學性質的微調,可能會提供新的解決方案。

  到那時候,會爆炸的電子設備可能就將不復存在。(譯者 俊一)

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