由密歇根大學(xué)研發(fā)的新型電池技術(shù)應(yīng)該可以有效阻止諸如發(fā)生在2013年波音787夢(mèng)幻客機(jī)上的這類起火事件再次發(fā)生。所謂“新型”就在于在鋰離子電池兩極之間存在一個(gè)更加先進(jìn)的隔離層。

新型電池使用了提取自用于防彈衣的剛性材料芳綸的納米纖維，從而可以有效抑制電池內(nèi)金屬卷須的生成。金屬卷須往往會(huì)在電池內(nèi)形成有害的電路。

來(lái)自密西根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也成立了位于美國(guó)密歇根州安阿伯市的Elegus科技公司，以將這項(xiàng)研究從實(shí)驗(yàn)室推向市場(chǎng)。預(yù)計(jì)將于2016年第四個(gè)季度開(kāi)始量產(chǎn)。

約瑟夫B.佛羅倫薩訴塞加卡工程學(xué)教授NicholasKotov說(shuō)：“芳綸是一種絕緣體，這與諸如碳納米管這類超硬材料所不同。而絕緣性有關(guān)阻止電池兩極短路的隔離材料來(lái)說(shuō)是必不可少的?！?/p>

鋰離子電池的工作過(guò)程就是鋰離子在電池內(nèi)兩極之間的脫嵌和嵌入的移動(dòng)過(guò)程。這一過(guò)程會(huì)在兩極間出現(xiàn)電荷的不平衡，而電子又無(wú)法通過(guò)正負(fù)兩極間的隔離膜，于是電子只能通過(guò)電池外部回路移動(dòng)，同時(shí)做出有用功。

但假如兩極間的隔離膜上的孔洞尺寸過(guò)大，鋰原子就會(huì)聚集形成如樹(shù)藤一般的枝晶，枝晶會(huì)進(jìn)一步刺破兩極間的隔離膜。一旦枝晶由一極到達(dá)另一極時(shí)，就在電池內(nèi)部形成電子回路，導(dǎo)致電池短路。這被認(rèn)為是波音787電池起火事件的誘因。

“樹(shù)藤結(jié)構(gòu)由于具有納米頂端很難被阻止。所以有關(guān)芳綸纖維薄膜來(lái)說(shuō)最重要的是形成比頂端尺寸更小的空隙。”Kotov's實(shí)驗(yàn)室的研究生、Elegus首席科技官SiuOnTung這樣說(shuō)到。

一般其他材料的隔離膜上的孔徑大概是幾百納米或者說(shuō)幾十萬(wàn)分之一厘米，而密歇根大學(xué)所研發(fā)的薄膜上孔徑只有15-20納米。15-20納米的孔徑足夠允許單個(gè)鋰離子的通過(guò)，卻可以阻止直徑在20-50納米的枝晶頂端通過(guò)。

研究人員通過(guò)將纖維彼此緊密堆疊制備出芳綸纖維薄膜。這種方法可以使纖維中的鏈狀大分子充分伸展，從而極大的有利于電極間鋰離子的導(dǎo)通。

工程師DanVanderLey說(shuō)道：“這種材料的特性在于，我們可以把它制的很薄。這樣我們?cè)陔姵爻叽缦嗤瑫r(shí)可以儲(chǔ)存更多的能量，或者可以減小電池的尺寸。我們看到人們有關(guān)制出更薄的產(chǎn)品很感興趣。”目前已有三十家公司聯(lián)系索要材料的樣品?！?/p>

此外，芳綸的耐熱性很好，與目前使用的其他薄膜材料相比更能抵抗大火，這樣會(huì)保證電池更加安全。

雖然研究小組目前對(duì)薄膜阻擋鋰枝晶的能力表示滿意，但他們?nèi)栽趯ふ姨岣咪囯x子流動(dòng)的方法，使得電池能夠更快的充放電。這項(xiàng)題為“Adendrite-suppressingsolidionconductorfromarananofibers”的研究已發(fā)表在一月二十七日的期刊《自然通訊》上。

這項(xiàng)研究重要得到了美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)旗下化學(xué)、生物工程、環(huán)境和運(yùn)輸系統(tǒng)及創(chuàng)新公司的資金支持，部分資助還來(lái)自美國(guó)海軍研究辦公室和美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室。前文Kotov教授是一名化學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)與工程以及高分子科學(xué)和工程教授。

原標(biāo)題:“防彈”電池：芳綸薄膜用于制造更輕薄可靠的鋰離子電池