重新設計的電流導體可提高鋰離子電池的效率和安全性

斯坦福大學和SLAC的科學家重新設計了電流導體——用于將電流分布到電極和電極的薄金屬箔——以使鋰離子電池更輕、更安全、更高效。他們用涂有超薄銅（右上）的輕質(zhì)聚合物層取代了全銅導體中間，并在聚合物層中嵌入了阻燃劑，以撲滅火焰（右下角）。來源：葉玉生/斯坦福大學

在電池當前的集熱器中添加聚合物和防火功能，使其更輕、更安全，效率提高約 20%。

斯坦福大學和能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家在一種使鋰離子電池更輕、更安全、更高效的全新方法中，重新設計了最重的電池部件之一——被稱為電流收集器的銅片或鋁箔片——因此它們的重量減輕80%，并立即撲滅任何燃起火焰。

研究人員說，如果這項技術被采用，可以解決電池研究的兩個主要目標：擴大電動汽車的駕駛范圍，減少筆記本電腦、手機和其他設備起火的危險。當電池充電速度超快時，這一點尤其重要，從而造成更多可能導致火災的電池損壞類型。

研究小組于2020年10月15日在《自然能源》中描述了他們的工作。

領導這項研究的斯坦福大學材料與能源科學研究所（SIMES）研究員易翠（Yi Cui）表示：“目前的收集器一直被認為是死重量，直到現(xiàn)在，它還沒有被成功利用來提高電池性能。

”但在我們的研究中，使收集器輕 80%可將鋰離子電池的能量密度（在給定重量中可儲存多少能量）增加 16-26%。與近年來平均增長3%相比，這一增幅很大。

與目前鋰離子電池的收集器相比，斯坦福大學和SLAC科學家設計的新版本使電池更輕、更節(jié)能、更安全。它還可以通過用更便宜的聚合物取代銅和降低運輸電池進行回收的成本來降低成本。來源：格雷格·斯圖爾特/SLAC國家加速器實驗室

絕望地尋求減肥

無論是以氣缸還是袋的形式，鋰離子電池都有兩個電流收集器，每個電極一個。它們分配電流流入或流出電極，占一些大功率或超薄電池重量的 15% 至 50%。剃光電池的重量本身是可取的，使更輕的設備，并減輕電動汽車的重量，必須四處移動;每個給定重量存儲更多的能量，使設備和 EV 在充電之間運行時間更長。

崔說，通過降低回收電池的運輸成本，減輕電池重量和易燃性也會對回收利用產(chǎn)生重大影響。

與訪問學者周連陽一起進行實驗的崔氏實驗室博士后研究員葉玉生（Yusheng Ye）表示，電池行業(yè)的研究人員一直試圖通過使目前的收集器變薄或多孔來減輕它們的重量，但這些嘗試產(chǎn)生了不必要的副作用，例如使電池更脆弱或化學不穩(wěn)定，或者需要更多的電解質(zhì)，從而增加了成本。

至于安全問題，他說，“人們也嘗試在電池電解質(zhì)中加入阻燃劑，電解質(zhì)是易燃部分，但只能在電池變得粘稠且不再很好地傳導離子之前添加這么多。

在斯坦福大學和SLAC的一項研究中，用當今商業(yè)電流收集器（頂排）制造的鋰離子電池在暴露在明火下時著火，并嚴重燃燒，直到所有的電解質(zhì)被燒毀。新的阻燃收集器（下排）產(chǎn)生的電池產(chǎn)生微弱的火焰，在幾秒鐘內(nèi)熄滅，并沒有再次爆發(fā)，即使科學家試圖重新點燃它們。來源：葉玉生/斯坦福大學

設計聚合物箔三明治

經(jīng)過集思廣益的問題，崔，葉和研究生劉雅源設計了實驗，以一種叫做聚酰亞胺的輕質(zhì)聚合物為基礎制造并測試電流收集器，這種聚合物可抵抗火災，經(jīng)受快速電池充電造成的高溫。阻燃劑-三苯基磷酸鹽，或TPP-嵌入聚合物，然后涂在兩個表面的超薄銅層。銅不僅可以分配電流，還可以保護聚合物及其阻燃劑。

葉說，與現(xiàn)在的版本相比，這些變化使當前收集器的重量減輕了80%，這意味著各種類型電池的能量密度增加了16-26%，而且它傳導電流和普通收集器一樣，不會降解。

葉說，當暴露在打火機的明火下時，用當今商業(yè)電流收集器制造的袋電池著火了，并嚴重燃燒，直到所有的電解質(zhì)被燒毀。但是，在電池與新的阻燃收集器，火從來沒有真正開始，產(chǎn)生非常微弱的火焰，在幾秒鐘內(nèi)熄滅，并沒有再次爆發(fā)，即使科學家試圖重新點燃它。

崔說，這種方法的一大優(yōu)點是，這種新收集器應該易于制造，而且更便宜，因為它用廉價的聚合物取代了部分銅。因此，擴大商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，他說，”應該非常可行。研究人員已經(jīng)通過斯坦福大學申請了專利，崔說，他們將聯(lián)系電池制造商，探討這些可能性。