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科学家制造出了一款“坚不可摧”的锂离子电池

作者:中国储能电站网 来源:36氪 时间:2020-01-22 浏览:

锂离子电池,以其特有的性能优势在各种便携式移动电子设备中得到普遍应用。大容量锂离子电池也已经用于对电动汽车领域,甚至还将在卫星、航空航天以及储能等方面得到应用。然而,前几年却频频爆出三星Note7手机爆炸的新闻,其背后的主要原因也是因为锂离子电池的易燃性。前几天,《连线》(WIRED)刊登了一篇令人振奋人心的新闻,文章原标题为Scientists Made a Nearly Invincible Lithium-Ion Battery,作者DANIEL OBERHAUS在文中介绍了美国科学家制造出的一款全新坚不可摧的锂离子电池。

图片来源:GETTY IMAGES @CASEY CHIN

锂离子电池几乎重新塑造了整个现代世界。无论是手机、笔记本电脑,还是电子烟、电动汽车,它都是其可重复充电电子组件中的核心要素。

虽然锂离子电池的电能储存效果较优,同时具有高能量密度,但这并不能说明它是完美的选择。因为制造锂离子电池必须依靠有毒易燃材料,所以即便是最小的缺陷,都可能会导致有关设备的爆炸。

一组由约翰霍普金斯大学应用物理实验室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)的物理学家组成的研究人员认为,针对现有的锂离子电池安全问题,完全有能力进一步改进。

过去五年以来,他们也一直在研发一款看似不会出现安全问题的新型锂离子电池。2017年,他们连同马里兰大学(University of Maryland)的研究人员,共同推出了一款可以切割、射击、弯曲甚至浸泡的新型锂离子电池,而且还能保持其持续放电。

2019年底,约翰霍普金斯大学的团队还进行了进一步改良升级,使这款电池具有防火性能,并且将其电压也提高到了与同等商业产品相当的水平。当然,这可能也会让三星公司十足嫉妒。

该应用物理实验室负责这项研究的高级科学家康斯坦提诺丝·格拉索泼罗斯(Konstantinos Gerasopoulos)称,要制造这款坚不可摧的电池,其核心在于电解液,即在电池的正负极之间起传导离子作用的化学混合物。

当你在使用锂离子电池时,带电锂粒子会穿过电解液的阻碍,从电池一端的阳极(负极)到达另一端的阴极(正极),并在其中产生化学反应、产生能量。

该应用物理实验室的材料科学项目经理杰夫·马兰奇(Jeff Maranchi)称,大多数锂离子电解液都是易燃锂盐和有毒液体的混合物,这意味着“如今的锂离子化学行业中,存在着潜在的灾难风险”。

如果这种将电池阳极与阴极分隔开的可渗透阻碍损坏的话,那就会造成短路,同时产生大量热量。当所有这些热量接触到电池中富氧阴极旁的极度易燃材料(如锂离子电解液)后,那你手上就会拿着一个燃烧着的电子设备。

水性电池可以避免所有的这些问题,毕竟电解液本来就是水性的,因此既不易燃又无毒。虽然水性电池已经存在了大约25年了,但其功效实在太弱,所以也起不到太大作用。

该应用物理实验室所发现的是,如果增加锂盐浓度,并且将电解液与一种聚合物(一种看起来像极度柔软的塑料的材料),他们就可以将电势从1.2伏提高到4伏,达到与商用锂离子电池同等的水平。

当格拉索泼罗斯和他的同事们将一款商用电池的阳极与阴极与这个像塑料的电解液相连接后,他们成功地制造出了一款市面上从来没见过的锂离子电池。

这个电池外观透明,具有隐形眼镜的柔韧性,同时无毒且不易燃,无论是制作和使用,都可以在露天没有外壳的情况下进行。除此之外,它还能承受几乎任何一种“虐待”。

该款全新电池核心的电解液,是由锂盐和不易燃烧或爆炸的柔软塑料型材料的混合物而成。图片来源:JOHNS HOPKINS APL

在针对这款电池的测试过程中,该应用物理实验室团队尝试过将样本浸入盐水中、用剪刀剪开、使用空气炮模拟弹道冲击,最后还用火点燃。在每轮测试中,电池一直保持着正常放电。在其中一项用火点燃测试后,实验人员将烧焦部分切除,剩余部分仍然正常使用了约100小时。

马兰奇还称,这种新型的水性电池也不只存在并于实验室中,其团队已经在接触多名未公开身份的制造商。这些制造商表示,他们可以轻松地将这款全新化学材料及形状因素融入至现有的锂离子电池生成线上。据马兰奇称,不用两年时间,它就可以投入商用市场,甚至能运用到之前未曾涉及过的领域之中。

因为其柔韧性的优势,所以也可以将其集成至可穿戴电子设备中,甚至最后还可以直接植入到衣服纤维中。

其在强度和耐用等方面的优势,也暗示了其可以在许多军事和科技应用中的新用途,比如无人驾驶水下航行器,无人机以及卫星等。

当然,目前这款电池也存在一些技术障碍,比如增加水性电池同样面临的充电周期问题。通常而言,智能手机的电池可以实现超过1000次充放次数,但这款新型电池却在充放次数到100次过后,就会出现电势能的损失。

格拉索泼罗斯说,针对电解液化学性质的微调,可能会提供新的解决方案。

到那时候,会爆炸的电子设备可能就将不复存在。

译者:俊一 

关键字:锂电池

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