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锂电池技术关键突破:水淹火烧重击短路都不炸!
责编: 发布时间:2020-03-31 08:49:15 浏览次数:次

   约翰霍普金斯大学应用物理实验室科学家Konstantinos Gerasopoulo的团队,创造了一种新的锂电池。在保持性能的前提下,这种新电池不怕水泡、不怕火烧、不怕折叠或重击,甚至能像纸片一样随意裁剪随意折叠,即使短路也还能继续使用。要是它能普及,你可能就再也看不到“xx品牌手机爆炸”的新闻了。这简直是消费电子行业大救星,机场安检人员的福报啊。


   这种新的锂电池最逆天的属性,就是:耐造。首先,普通电池一旦被短路,报废算好的,没爆炸着火都是福大命大。但这种新电池,短路之后,你把它短路的地方断开,它不仅不会发生危险,甚至还能继续充放电循环将近100小时。而且,在地球上的绝大多数恶劣环境下,这种新电池都能撑得住,不仅不会像传统锂电池一样爆炸,能保证安全;甚至还能继续工作供电。比如说,被折叠的时候,它本来就是软的,你可以随便玩弄,把它团成球、搓成卷,设置成任何形状,甚至装在衣服里面都没问题。而且,这种新电池也不怕外部破坏,用剪刀剪掉一块,再放进盐水里,它不会被剪坏,还耐腐蚀,仍然可以供电。

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   既然不怕盐水,那把它装在用于水下的探测设备里也是十分可行的了。甚至,在模拟弹道撞击的实验里,电池依然能保证运行。这就再也不用担心电池跌落或者遭到撞击时着火了,有了这个特性,它将来或许能用在军事设施上,成为即使在枪林弹雨中可以运转的设备。甚至你简单粗暴的直接放火烧也没啥问题。研究人员直接把电池烧焦,然后把烧焦的部分剪下来,剩下的部分还能持续使用100小时。不怕水,不怕火,不怕撞击,不怕短路,真是打不死的小强。

   核心秘密在哪里?那么,为什么这款电池这么强悍,还不会起火爆炸呢?造成传统锂电池起火最重要的一个原因就是电解质。由于锂的活性很高,使用锂离子的电池的时候,我们需要将正负极分离开。如果它们之间的隔膜受到外力作用被刺穿,将会造成短路。而锂电池的电解质一般是易燃有毒的有机溶剂,很快在短路产生的巨大热量下燃烧起来。为了防止锂电池起火,科学家们想出了各种方法,比如不可燃的水代替有机电解质,代价却是损失电池的性能。用水做电解质的锂电池电压低、能量密度低,一般电压不超过2V,能量密度不超过70Wh/kg。原因就在于电池的水实在太多了。所以如何降低这种电池中的水含量成了关键问题。

   近年来,科学家们发现了一种在水中溶剂度极高的锂盐,叫做“双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂”(LiTFSI),可以将电池的稳定放电窗口提高到3.0V。由于溶液中盐的含量甚至超过了水,所以被叫做“盐包水”电池(WiS或WiBS)。来自约翰霍普金斯大学的科学家们发现,还可以进一步突破“盐包水”电池的极限。他们把锂盐溶液放在一种聚丙烯酸类的凝胶中。用一种凝胶的物质巧妙地解决了这个问题。聚丙烯酸是一种特别能“藏水”的聚合物,在生活中也很常见,我们玩的彩色吸水珠,主要成分就是它。当然,电池里的物质不是吸水珠,而是由聚丙烯酸酯为前体,用紫外光照射使之聚合,生成的MPEGA和PEGDA交联体。
由于这种物质中含有大量的羟基,可以把锂盐水溶液锁在其中。将凝胶电池进一步处理后得到的浓缩凝胶盐包水电池(C-W-GPE)的问题放电窗口已经达到了4.1V,和我们现在手机普遍使用的电池相当。

   当然,还没到马上应用的时候。这种新型电池,还需要进一步的技术提升,因为现在只能充放电循环100次,研究人员们准备调整一下电解质来解决这个问题。有意思的是,就在2019年,锂电池的发明者Goodenough——“棒的很”老爷子,也获得了2019年诺贝尔奖。
 
   但是在锂电池进化的这条道路上,我们还有很长的路要走。光是正极材料就有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等,每种材料的安全性、寿命、能量密度各有不同,不同厂家都在发展自己的技术。

   针对锂电池的安全性就有不同的解决方案,JHU的这种方法并非着眼于正负极材料,而是将电解质换成安全性更高的凝胶,更难能可贵的是电池在经历各种破坏时也不会发生危险,甚至之后还能正常使用,这就给广大依赖锂电池的产品和设备,带来了福音,特别是电动车,锂电池的“安全感”,始终是车主和乘客最担心的环节。
 
                                                                                                                   
                                                                                                                (来源:量子位)