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美國(guó)科學(xué)家研發(fā)新型柔性鋰離子電池 可被切割但不會(huì)起火

2019-11-13 09:21  瀏覽:  

能源界網(wǎng)獲悉:美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)的一組研究人員設(shè)計(jì)了一種柔性鋰離子電池,即使在被切割、被浸沒(méi)、被模擬彈道撞擊等極端條件下,該電池都可正常工作,而且現(xiàn)在,該電池還不會(huì)著火。

目前的鋰離子電池都由易燃和可燃材料制成,很容易發(fā)生災(zāi)難性的火災(zāi)和爆炸事件,其中大多數(shù)是沒(méi)有任何可辨別的警告就突然發(fā)生了。由于具備危險(xiǎn)性,三星Galaxy Note7手機(jī)就被禁止在飛機(jī)上使用,海軍也禁止在船上和潛艇上使用電子煙,以減輕此類(lèi)易燃設(shè)備的危險(xiǎn)性。

而隨著此類(lèi)電池已經(jīng)逐漸成為便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)等應(yīng)用的首選儲(chǔ)能工具,因而能夠提升其安全性將標(biāo)志著鋰離子電池生產(chǎn)和使用方式的重大轉(zhuǎn)變。

最近,在《化學(xué)通訊》雜志上,由APL研究和探索開(kāi)發(fā)部的Konstantinos Gerasopoulos領(lǐng)導(dǎo)的研究小組公布了發(fā)現(xiàn):一種新型water-in-salt(WiS)和water-in-bisalt(WiBS)電解質(zhì),當(dāng)與聚合物基質(zhì)合并,可以減少水的活動(dòng),提高電池的能量,延長(zhǎng)其生命周期,同時(shí)消除目前鋰離子電池中易燃、有毒、高活性的溶劑。研究人員表示,該種電解質(zhì)是一種安全、強(qiáng)大的替代品。

APL高級(jí)研究科學(xué)家兼首席研究員Gerasopoulos表示:“從手機(jī)到汽車(chē),鋰離子電池已經(jīng)成為日常生活中的常見(jiàn)品,繼續(xù)提高其安全性對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。自20世紀(jì)90年代初期,鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以來(lái),其形狀因數(shù)都沒(méi)有發(fā)生太大的變化,我們還是采用相同的圓柱形或菱形電池芯,其中的液體電解質(zhì)和所需的密封包裝與此種形狀有莫大的關(guān)系。”

“我們研究小組致力于采用一種安全性和形狀因數(shù)都得到改進(jìn)的聚合物替代易燃的液體電解質(zhì),而且最近的論文表示,基于水的柔性聚合物鋰離子電池可以在露天環(huán)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,團(tuán)隊(duì)克服了液態(tài)WiBS電解質(zhì)的限制。由于存在水,液態(tài)WiBS電解質(zhì)本質(zhì)上是安全的,但是其能量有限,與大多數(shù)商用陽(yáng)極材料無(wú)法兼容。研究人員研發(fā)了“穩(wěn)定的、基于WiBS的水性凝膠聚合物電解質(zhì)(GPEs)。在WiBS存在的情況下,研究人員通過(guò)UV介導(dǎo),聚合水溶性丙烯酸酯從而制成此種電解質(zhì)。”

科學(xué)家們證明,UV固化工藝以及在聚合物中集成WiBS可改善游離水的滯留性,而滯留性將由該聚合物負(fù)責(zé)協(xié)調(diào),從而可以提升其電化學(xué)穩(wěn)定性。研究人員表示:“我們首次證明,目前市場(chǎng)上廣泛使用的低成本陽(yáng)極納米級(jí)鈦酸鋰(Li4Ti5O12,LTO)可用于水性聚合物鋰離子電池,而且能夠可靠地循環(huán)100多次。”

2017年,研究人員曾研發(fā)出具突破性的柔性電池,此次研發(fā)的新型聚合物電解質(zhì)進(jìn)一步提升了此種電池的損傷容限。

Gerasopoulos表示:“第一代柔性電池在尺寸上不如我們現(xiàn)在制造的電池那樣穩(wěn)定。我們研發(fā)的UV固化聚合物是一種獨(dú)立、機(jī)械強(qiáng)度高的薄膜,類(lèi)似于隱形眼鏡。此類(lèi)電池就算完全暴露在空氣中,都可以連續(xù)工作幾天。而且可以燒、切割它們,或者以其他方式對(duì)它們施加壓力,它們也仍然可以工作。”

“我們成功提高了GPE的機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)穩(wěn)定性,能夠?qū)⒋朔N新型過(guò)飽和水凝膠聚合物電解質(zhì)(GPE)從概念驗(yàn)證過(guò)渡至實(shí)際應(yīng)用。”

APL材料科學(xué)項(xiàng)目區(qū)域主管Jeff Maranchi表示:“我們的團(tuán)隊(duì)在不斷提高柔性鋰離子電池的安全性和性能,而且我們希望在一年內(nèi)能夠?qū)⒃撔卵芯哭D(zhuǎn)變成原型。”

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