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锂电池|新的锂电池充电更快，降低了设备爆炸的风险

锂电池|新的锂电池充电更快，降低了设备爆炸的风险
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示意图显示了具有用于阳极的新型碳纳米管结构的锂电池来源：Juran Noh /德克萨斯农工大学工程学院
手机电池经常变热 ， 有时会爆炸 。 在大多数情况下 ， 此类事件的罪魁祸首可以追溯到锂电池 。 尽管提供了可以使设备保持通电状态的持久电流 ， 但锂电池可能在内部短路 ， 从而使设备发热 。
德州农工大学的研究人员发明了一种可以防止锂电池发热和失效的技术 。 他们的碳纳米管设计用于电池的导电板（称为阳极） ， 可以安全地存储大量锂离子 ， 从而降低了着火的风险 。 此外 ， 他们说 ， 他们的新阳极体系结构将帮助锂电池的充电速度快于目前的市售电池 。
“我们设计了用于锂电池的下一代阳极 ， 这种阳极能有效产生快速充电所需的大电流和持续电流 ， ”乔琼·霍博士（JChoongho Yu）在J. Mike Walker实验室的材料科学研究生Juran Noh说 。66机械工程系 。 “此外 ， 这种新的架构还可以防止锂积聚在阳极外部 ， 随着时间的流逝 ， 锂可能会导致电池两个隔室的内容物意外接触 ， 这是设备爆炸的主要原因之一 。 ”
【锂电池|新的锂电池充电更快，降低了设备爆炸的风险】他们的研究结果发表在3月号的Nano Letters杂志上 。
使用锂电池时 ， 带电粒子会在电池的两个隔室之间移动 。 锂原子释放的电子从电池的一侧移动到另一侧 。 另一方面 ， 锂离子沿另一个方向传播 。 给电池充电时 ， 锂离子和电子会返回其原始隔室 。
因此 ， 阳极或在电池内容纳锂离子的电导体的特性对电池的特性起决定性作用 。 常用的阳极材料是石墨 。 在这些阳极中 ， 锂离子插入在石墨层之间 。 但是 ， Noh说 ， 这种设计限制了可在阳极内存储的锂离子的数量 ， 甚至需要更多的能量才能在充电过程中将离子从石墨中拉出 。
这些电池还具有更隐蔽的问题 。 有时锂离子不能均匀地沉积在阳极上 。 相反 ， 它们成块堆积在阳极表面 ， 形成树状结构 ， 称为树突 。 随着时间的流逝 ， 树枝状晶体会生长并最终刺穿分隔电池两个隔室的材料 。 这种破坏会导致电池短路 ， 并可能使设备起火 。 不断增长的树枝状晶体还会消耗锂离子 ， 从而影响电池性能 ， 使锂离子无法产生电流 。
Noh说另一种阳极设计涉及使用纯锂金属代替石墨 。 与石墨阳极相比 ， 含锂金属的阳极每单位质量或能量密度具有更高的能量含量 。 但是由于树枝状晶体的形成 ， 它们也可能以同样的灾难性方式失败 。
为了解决这个问题 ， Noh和她的队友使用称为碳纳米管的高导电轻质材料设计了阳极 。 这些碳纳米管支架包含供锂离子进入和沉积的空间或孔 。 然而 ， 这些结构不能良好地结合锂离子 。
因此 ， 他们制造了另外两个碳纳米管阳极 ， 它们的表面化学性质略有不同–一个带有大量可以与锂离子结合的分子团 ， 另一个带有相同的分子团但数量较少 。 利用这些阳极 ， 他们制造了电池来测试形成树枝状晶体的倾向 。
正如预期的那样 ， 研究人员发现仅由碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合 。 因此 ， 几乎没有枝晶形成 ， 但是电池产生大电流的能力也受到损害 。 另一方面 ， 具有过量结合分子的支架形成许多树枝状晶体 ， 从而缩短了电池的使用寿命 。
然而 ， 具有最佳数量的结合分子的碳纳米管阳极阻止了树枝状晶体的形成 。 此外 ， 大量的锂离子可以结合并沿着支架的表面扩散 ， 从而增强了电池产生大电流的能力 。
Noh说：“当结合分子基团丰富时 ， 由锂离子制成的锂金属簇最终只会堵塞支架上的孔 。 ” “但是当我们有适量的这些结合分子时 ， 我们可以在某些位置'解压缩'碳纳米管支架 ， 使锂离子穿过并结合到支架的整个表面上 ， 而不是在外部积累阳极表面并形成树枝状晶体 。 ”
Noh说 ， 它们表现最佳的阳极所处理的电流是市售锂电池的五倍 。 她指出 ， 此功能对于需要快速充电的大型电池（例如电动汽车中使用的电池）特别有用 。
Noh说：“几十年来 ， 建造安全且使用寿命长的锂金属阳极一直是一项科学挑战 。 ” “我们开发的阳极克服了这些障碍 ， 是朝着锂金属电池商业化应用迈出的重要的第一步 。 ”


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