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着火也能继续供电的电池!斯坦福发明新电解质提高锂电池的安全性

近日,斯坦福大学崔屹教授领衔的团队在锂金属电池安全领域取得了重大突破。

坐飞机的时候,锂离子电池是不能拖运的;一些设计不佳的产品,例如三星 Galaxy Note 7,连作为手提行李携带上机都不行;电动汽车自燃的事故更是频频见诸报端。

锂电池这么不安全,是因为在高温、碰撞等情况发生时,电池很容易自燃、甚至引发爆炸,对于航空、汽车安全构成严重威胁。常规锂电池尚且如此,对于拥有高能量密度的下一代锂离子电池——锂金属电池来说,其安全性则是更大的问题。可以这么说,安全问题是困扰着锂离子电池进一步发展的重要因素之一,也是许多科研团队重点攻关的对象。

近日,国际知名材料学家、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”评委、斯坦福大学崔屹教授领衔的团队在锂金属电池安全领域取得了重大突破。

他们研发出了一种可以防火的超轻型锂金属电池电解质材料,用这种电解质制成的电池不止拥有高能量密度和出色的电化学性能,还拥有了极高的安全性能:不仅不会自燃,还会在哪怕已经着火的情况下继续保持工作!这项成果为锂金属电池安全性的研究指出了全新的方向。

不论是手机、电脑,还是电动汽车、储能电站,我们的日常生活和人类控制气候变化的努力都离不开锂离子电池。而锂离子电池研究最重要的方向之一,就是提高它的能量密度,也就是单位质量锂电池所能携带的电能。对于手机来说,高能量密度意味着更长的续航时间,而对于电动汽车来说则意味着续航里程。

提高锂离子电池能量密度最重要的技术路线之一,是使用锂金属、而不是锂元素的化合物来作为锂电池的电极。由此制成的锂金属电池,能量密度可以达到现有电池的好几倍,被认为是下一代高能量密度可充电电池的“圣杯”。但锂金属电池有一个很大的问题——它很不安全。

一块锂电池的结构,可以被理解成是一个 “三明治”,夹在中间的是负责传递锂离子的电解质/隔膜,而位于上下两端的是负责传递电流的电极。在高电流或者多次循环之后,锂金属电极的表面会长出一种叫做锂枝晶的东西。

锂枝晶本来是锂金属反复沉淀、析出的结果,但随着它的生长,它会刺穿电池正极负极之间的电解质/隔膜,让电池的正极负极直接连在一起,造成短路,进而引发电池的热失控,造成起火、爆炸等情况的出现。

着火也能继续供电的电池!斯坦福发明新电解质提高锂电池的安全性

图|锂枝晶(来源:Wikipedia,EEWeb)

为了解决这个问题,科学家们想出了很多思路。其中的一条是使用固态材料,而不是目前主流商业锂离子电池采用的液态材料,来用作电池的电解质。有一定机械强度的固态电解质拥有“坚硬”的表面,可以压制锂枝晶的生长,从而保障电池的安全。

然而,现有的固态电解质却各有各的问题:有的太厚,会导致电池的能量密度下降;有的可燃,导致安全性不佳;有的太软,无法压制锂枝晶的生长……总之,并没有一款电解质可以同时满足锂金属电池的高性能和安全需要。

而崔屹团队提出的这种电解质材料,是第一种可以同时做到防火、超薄、又电化学性能优良的固态电解质材料。

着火也能继续供电的电池!斯坦福发明新电解质提高锂电池的安全性

图|崔屹教授。(来源:Yi Cui Lab)

这个材料的秘诀在于,它结合了三类材料各自的优势。

首先,是多孔的聚酰亚胺(Polyimide,PI)。这是一种应用广泛的工程材料。它具有很高的机械强度,可以对锂枝晶的生长进行压制;熔点也很高,能做到在不太剧烈的燃烧发生的时候不至于熔化,从而降低短路的风险;而且,这种材料还可以做得很薄(只有 10-25 微米),还超轻,从而显著提高电池的能量密度。

其次,是十溴二苯乙烷(DBDPE)。这是一种阻燃材料,将这种材料添加到聚酰亚胺(PI)里,可以防止电解质起火燃烧。

第三,是聚氧化乙烯(PEO)和双三氟甲基磺酰氨基锂(LiTFSI)。这两种材料导电性优异、低成本、重量轻,是获得了广泛研究的聚合物电解质材料,也是目前许多锂金属电池选择的固态电解质材料。将这两种材料添加到新型电解质中,让电解质拥有了非常好的电化学性能。

着火也能继续供电的电池!斯坦福发明新电解质提高锂电池的安全性

图|由高机械强度的聚酰亚胺(Polyimide,PI,虚线图中黄色部分)、阻燃剂十溴二苯乙烷( DBDPE,虚线图中橙色部分)和高导电性的聚氧化乙烯(PEO)、双三氟甲基磺酰氨基锂(LiTFSI,虚线图中灰色部分)构成的新型固态电解质(来源:Cui, et al.)

经过测试,他们发现,三种材料的性能都在这种复合材料中得到了完美的体现。

首先,机械强度。新型电解质材料的机械强度,比由聚氧化乙烯(PEO)和双三氟甲基磺酰氨基锂(LiTFSI)构成的常规电解质材料高出了 4 个数量级,显著提高了电解质压制锂枝晶的能力。经过 60°C 下 300 小时的测试,这种高强度的电解质材料依然可以非常好地压制锂枝晶的生长。

其次,阻燃。常规 PEO/LiTFSI 电解质材料可以轻易点燃,但从下图中可以看到,添加了阻燃剂 DBDPE 的新型材料,在点着之后的 2 秒钟内火焰就自行熄灭了,表现出了优异的防火性能。

着火也能继续供电的电池!斯坦福发明新电解质提高锂电池的安全性

图丨点燃两秒之后火焰就自行熄灭了(来源:Cui, et al.)

第三,导电和循环稳定性。经过 300 次循环之后,新型电解质材料依然维持了很高的倍率(1C 下131 mAh g?1),而作为对照的常规 PEO/LiTFSI 电解质,倍率明显要更低,循环性能也不稳定。

于是,由这三类材料结合而成的全新固态电解质,便同时拥有了防火、超薄、导电的优良性能。在更加严苛的全电池点火实验中,常规电池早就烧着、变形、“弃疗”了,但新型电解质制成的电池,哪怕被火焰包裹,却依然可以为LED灯供电。之后,火焰还能自行熄灭。

这便是文章开头的那一幕。通常情况下,锂电池过热就有可能导致爆炸,别说继续工作了,不引发火灾就算不错了。这种新型电池不仅着火了还能工作,之后还能自行灭火,对于锂电池来说是非常难得的事情。

目前,锂电池的安全性得到了越来越多人的关注。前不久,电池巨头比亚迪发布的全新“刀片电池”,主打的概念之一就是高安全性。各家电池厂商也都摩拳擦掌,希望在锂电池安全领域拿出自己的方案。崔屹团队的这个新突破虽然尚处于实验室阶段,但标志着锂金属电池已经可以在拥有高能量密度的同时,兼具极高的安全性。这为锂电池研究提供了全新的方向。

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