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纳米金刚石对锂电池安全性能改善的研究

来源:中国超硬材料网   2017-08-29  加入收藏  打印  字体【 |  | 

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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【责任编辑:wangxian】
关键词: 纳米金刚石  锂电池 
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