<p>可充電鋰離子電池為手機(jī)、筆記本電腦、其他個(gè)人電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，甚至還被用于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量。但如果這些電池的溫度升高過(guò)高，它們就會(huì)停止工作并起火。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這在一定程度上是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部的電解質(zhì)是易燃的，它在電池充放電時(shí)在兩個(gè)電極之間運(yùn)送鋰離子。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;電池行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是安全問(wèn)題，所以我們花了很多努力來(lái)制造一種安全的電池電解質(zhì)。&rdquo;斯坦福大學(xué)研究生Rachel Z Huang說(shuō)，她是11月30日在Matter上發(fā)表的一篇報(bào)告的第一作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>黃與能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的其他19名研究人員一起開(kāi)發(fā)了一種用于鋰離子電池的不易燃電解質(zhì)。他們的工作表明，含有這種電解質(zhì)的電池在高溫下繼續(xù)工作而不會(huì)起火。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們的秘密嗎?更多的鹽。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>咸的安全</strong></span></p> <p><br />傳統(tǒng)的鋰離子電池電解質(zhì)是由溶解在液態(tài)有機(jī)溶劑(如醚或碳酸鹽)中的鋰鹽制成的。雖然這種溶劑通過(guò)幫助鋰離子移動(dòng)來(lái)提高電池性能，但它也是潛在的導(dǎo)火索。</p> <p>&nbsp;</p> <p>電池在工作時(shí)產(chǎn)生熱量。如果電池有穿孔或缺陷，它會(huì)迅速升溫。當(dāng)溫度超過(guò)140華氏度時(shí)，電解液中的溶劑小分子開(kāi)始蒸發(fā)，從液體轉(zhuǎn)化為氣體，使電池像氣球一樣膨脹，直到氣體著火，整個(gè)電池都燃燒起來(lái)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在過(guò)去的30年里，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了不易燃的電解質(zhì)，例如聚合物電解質(zhì)，它使用聚合物基質(zhì)代替經(jīng)典的鹽溶劑溶液來(lái)移動(dòng)離子。然而，這些更安全的替代品不像液體溶劑那樣有效地移動(dòng)離子，因此它們的性能還比不上傳統(tǒng)電解質(zhì)。<img src="https://www6.slac.stanford.edu/sites/default/files/styles/centered/public/2022-12/RachelHuang.jpg?itok=fZVWGKRN" alt="Rachel Huang working in the lab." width="808" height="538" />&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)希望生產(chǎn)一種基于聚合物的電解質(zhì)，既能提供安全性，又能提供性能。黃有了一個(gè)主意。</p> <p>&nbsp;</p> <p>她決定在斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者賴建成(jiancheng Lai)設(shè)計(jì)和合成的聚合物電解質(zhì)中盡可能多地添加一種名為L(zhǎng)iFSI的鋰鹽。賴建成是這篇論文的共同第一作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>黃說(shuō):&ldquo;我只是想看看我能加多少，并測(cè)試一下極限。&rdquo;通常，基于聚合物的電解質(zhì)中鹽的重量不到50%。黃將這一數(shù)字提高到63%，創(chuàng)造了有史以來(lái)最咸的聚合物電解質(zhì)之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>與其他聚合物電解質(zhì)不同，這種電解質(zhì)還含有易燃的溶劑分子。然而，在鋰離子電池的測(cè)試中，被稱為溶劑錨定不可燃電解質(zhì)(SAFE)的整體電解質(zhì)在高溫下被證明不可燃。</p> <p>&nbsp;</p> <p>SAFE起作用是因?yàn)槿軇┖望}共同作用。這種溶劑分子有助于離子的傳導(dǎo)，其性能與含有傳統(tǒng)電解質(zhì)的電池相當(dāng)。但是，不像大多數(shù)鋰離子電池那樣在高溫下失效，含有SAFE的電池可以在77-212華氏度的溫度下繼續(xù)工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>同時(shí)，大量添加的鹽充當(dāng)了溶劑分子的錨，防止它們蒸發(fā)和著火。<img src="https://www6.slac.stanford.edu/sites/default/files/styles/centered/public/2022-12/firesafe_electrolyte_sv_photos_final_highres_0.jpg?itok=kGIUywEx" alt="Standard battery materials catch fire when exposed to flame, but a new material does not." width="808" height="202" />&nbsp;</p> <p>&ldquo;這一新發(fā)現(xiàn)為基于聚合物的電解質(zhì)設(shè)計(jì)指出了一種新的思維方式，&rdquo;斯坦福大學(xué)教授、斯坦福材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)研究員鮑哲南(Zhenan Bao)說(shuō)，他是黃的顧問(wèn)。&ldquo;這種電解質(zhì)對(duì)于開(kāi)發(fā)高能量密度和安全的未來(lái)電池非常重要。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>保持粘性</strong></span></p> <p><br />基于聚合物的電解質(zhì)可以是固體或液體。重要的是，SAFE中的溶劑和鹽使其聚合物基質(zhì)塑化，使其成為一種粘稠的液體，就像傳統(tǒng)的電解質(zhì)一樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一個(gè)好處是:這種粘稠的電解質(zhì)可以放入現(xiàn)有的、市售的鋰離子電池部件中，而不像其他已經(jīng)出現(xiàn)的不易燃電解質(zhì)。例如，固態(tài)陶瓷電解質(zhì)必須使用特殊設(shè)計(jì)的電極，這使得它們的生產(chǎn)成本很高。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;有了外管局，就不需要改變?nèi)魏紊a(chǎn)設(shè)置。&rdquo;黃說(shuō)。&ldquo;當(dāng)然，如果將其用于生產(chǎn)，則需要對(duì)電解液進(jìn)行優(yōu)化以適應(yīng)生產(chǎn)線，但工作量比其他任何系統(tǒng)都要小得多。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯坦福大學(xué)SLAC和斯坦福大學(xué)的教授，同時(shí)也是黃的顧問(wèn)的SIMES研究員Yi Cui說(shuō):&ldquo;這種非常令人興奮的新型電池電解質(zhì)與現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)兼容，將對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品和電力運(yùn)輸產(chǎn)生重大影響。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>SAFE的一個(gè)應(yīng)用可能是電動(dòng)汽車。</p> <p>&nbsp;</p> <p>如果電動(dòng)汽車中的多個(gè)鋰離子電池靠得太近，它們會(huì)相互加熱，最終可能導(dǎo)致過(guò)熱和火災(zāi)。但是，如果一輛電動(dòng)汽車的電池中充滿了像SAFE這樣在高溫下穩(wěn)定的電解質(zhì)，那么它的電池就可以緊密地放在一起，而不用擔(dān)心過(guò)熱。</p> <p>&nbsp;</p> <p>除了降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，這還意味著冷卻系統(tǒng)占用的空間更少，電池的空間更大。更多的電池會(huì)增加整體能量密度，這意味著汽車充電間隔時(shí)間可以更長(zhǎng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;所以這不僅僅是一個(gè)安全的好處，&rdquo;黃說(shuō)。&ldquo;這種電解質(zhì)也可以讓你裝進(jìn)更多的電池。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>時(shí)間會(huì)告訴我們，還有哪些電池驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品會(huì)更安全一點(diǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究由美國(guó)能源部能源效率和可再生能源辦公室在電池材料研究計(jì)劃和電池500聯(lián)盟下資助。</p> <p>&nbsp;</p> <p>引用本文:Huang et al.， Matter, 2022年11月30日(10.1016/j.mat .2022.11.003)</p> <p>&nbsp;</p> <p>如有問(wèn)題或意見(jiàn)，請(qǐng)聯(lián)系SLAC通信辦公室communications@slac.stanford.edu。</p> <p>&nbsp;</p> <p>SLAC是一個(gè)充滿活力的多項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室，探索宇宙如何在最大、最小和最快的尺度上運(yùn)行，并發(fā)明了全球科學(xué)家使用的強(qiáng)大工具。通過(guò)研究粒子物理學(xué)，天體物理學(xué)和宇宙學(xué)，材料，化學(xué)，生物和能源科學(xué)以及科學(xué)計(jì)算，我們幫助解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題，促進(jìn)國(guó)家的利益。</p> <p>&nbsp;</p> <p>SLAC由斯坦福大學(xué)為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室運(yùn)營(yíng)?？茖W(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，并致力于解決我們這個(gè)時(shí)代一些最緊迫的挑戰(zhàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>