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郑州华晶金刚石股份有限公司

纳米金刚石对锂电池安全性能改善的研究

关键词 纳米金刚石 , 锂电池|2017-08-29 09:19:50|来源 中国超硬材料网
摘要 德雷塞尔大学在电解质液中添加纳米金刚石,防止树突石堆积物的生成锂离子电池广泛应用在智能机和笔记本电脑,是目前商用电池中寿命最长的电池类型。但锂电池近年来频频爆出故障和自燃等电池短路...

德雷塞尔大学在电解质液中添加纳米金刚石,防止树突石堆积物的生成
       锂离子电池广泛应用在智能机和笔记本电脑,是目前商用电池中寿命最长的电池类型。但锂电池近年来频频爆出故障和自燃等电池短路引起的各种问题。针对锂电池的这一缺陷,美国德雷塞尔大学近日研发出一种新技术,将多数电池中的关键构件——电解质液——进行技术转化,从而避免了引发电池安全事故的电化学反应的发生。
       德雷塞尔大学工程学院的教授Bach和博士Yury Gogotsi,领导其团队在期刊Nature Communications上发表题为“纳米金刚石对锂树突生长的抑制”的文章。研究描述了纳米金刚石对电化学沉积的缩短工艺技术,也即电镀,它能够引起锂离子电池的短路故障。
       随着电池的使用和多次充电,所发生的电化学反应会引起电池内两个电极之间的离子发生运动;离子的这种重新定位会生成类似卷须状的累积物,就像岩洞里累积起来的钟乳石一样。这些电池内的累积物被称之为树突石。树突石是引发锂电池故障的主要原因。随着树突石在电池内的不断累积生长,他们可以穿透电池的隔离膜。电池隔离膜是一种多孔聚合物薄膜,用来防止电池的正电荷部分与阴电荷部分发生接触。而当隔离膜被树突石穿透后,就会发生短路,锂电池内部的高度可燃性电解质液就会发生燃烧,从而导致电池燃烧和故障。
       为避免树突石的形成并降低电池燃烧的可能性,现在的电池在设计的时候都会采用填充有锂的石墨电极,而不再使用纯锂电极。这种将石墨作为锂的宿主的工艺能够防止树突石的形成。但是,掺杂石墨后的锂的能量存储比纯锂的能量存储下降了约10倍左右。而Gogotsi博士的这项研究利用纯锂电极制备锂电池,不仅消除了树突石的形成,还极大提高了电池的能量存储性能。
       Gogotsi博士说:电池安全是我们研究的一个重要议题,电子表中所用到的迷你一次性电池使用的是锂正极,制备过程中只充一次电。但如果对其进行反复充电,就会有生长出树突石堆积物。锂电池虽然有一定的安全循环,但反复充电终究会导致电池短路的发生。我们的研究目的就在于让锂正极变得更加稳定,让锂镀更加均匀一致,这样就不会生长出树突石堆积物。
       研究人员首先将纳米金刚石添加到电解质溶液中,在沉积过程中,纳米金刚石自然游离到一起并形成光滑的表面。这一特性对于消除树突石的形成有着很重要的作用。由于锂离子很容易粘附在纳米金刚石上,研究人员采用对电极进行电镀的方式,对纳米金刚石进行电镀处理,混合了金刚石的电解质液在100次充电循环中显著降低了树突石的形成。
       Gogotsi研究发现,这种混有“添加剂”的电解液可以制备出安全性能更高的锂电池,且能量密度更大,稳定充电-放电循环长达200小时之久,这对于某些行业和军用设备来说已绰绰有余。
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