钜大LARGE | 点击量：2537次 | 2021年10月21日
“防弹”电池：芳纶薄膜用于制造更轻薄可靠的锂离子电池
由密歇根大学研发的新型电池技术应该可以有效阻止诸如发生在2013年波音787梦幻客机上的这类起火事件再次发生。所谓“新型”就在于在锂离子电池两极之间存在一个更加先进的隔离层。
新型电池使用了提取自用于防弹衣的刚性材料芳纶的纳米纤维，从而可以有效抑制电池内金属卷须的生成。金属卷须往往会在电池内形成有害的电路。
来自密西根大学的研究团队也成立了位于美国密歇根州安阿伯市的Elegus科技公司，以将这项研究从实验室推向市场。预计将于2016年第四个季度开始量产。
约瑟夫B.佛罗伦萨诉塞加卡工程学教授NicholasKotov说：“芳纶是一种绝缘体，这与诸如碳纳米管这类超硬材料所不同。而绝缘性有关阻止电池两极短路的隔离材料来说是必不可少的。”
锂离子电池的工作过程就是锂离子在电池内两极之间的脱嵌和嵌入的移动过程。这一过程会在两极间出现电荷的不平衡，而电子又无法通过正负两极间的隔离膜，于是电子只能通过电池外部回路移动，同时做出有用功。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
但假如两极间的隔离膜上的孔洞尺寸过大，锂原子就会聚集形成如树藤一般的枝晶，枝晶会进一步刺破两极间的隔离膜。一旦枝晶由一极到达另一极时，就在电池内部形成电子回路，导致电池短路。这被认为是波音787电池起火事件的诱因。
“树藤结构由于具有纳米顶端很难被阻止。所以有关芳纶纤维薄膜来说最重要的是形成比顶端尺寸更小的空隙。”Kotov's实验室的研究生、Elegus首席科技官SiuOnTung这样说到。
一般其他材料的隔离膜上的孔径大概是几百纳米或者说几十万分之一厘米，而密歇根大学所研发的薄膜上孔径只有15-20纳米。15-20纳米的孔径足够允许单个锂离子的通过，却可以阻止直径在20-50纳米的枝晶顶端通过。
研究人员通过将纤维彼此紧密堆叠制备出芳纶纤维薄膜。这种方法可以使纤维中的链状大分子充分伸展，从而极大的有利于电极间锂离子的导通。
工程师DanVanderLey说道：“这种材料的特性在于，我们可以把它制的很薄。这样我们在电池尺寸相同时可以储存更多的能量，或者可以减小电池的尺寸。我们看到人们有关制出更薄的产品很感兴趣。”目前已有三十家公司联系索要材料的样品。”
此外，芳纶的耐热性很好，与目前使用的其他薄膜材料相比更能抵抗大火，这样会保证电池更加安全。
虽然研究小组目前对薄膜阻挡锂枝晶的能力表示满意，但他们仍在寻找提高锂离子流动的方法，使得电池能够更快的充放电。这项题为“Adendrite-suppressingsolidionconductorfromarananofibers”的研究已发表在一月二十七日的期刊《自然通讯》上。
这项研究重要得到了美国自然科学基金会旗下化学、生物工程、环境和运输系统及创新公司的资金支持，部分资助还来自美国海军研究办公室和美国空军科学研究办公室。前文Kotov教授是一名化学工程、生物医学工程、材料科学与工程以及高分子科学和工程教授。
原标题:“防弹”电池：芳纶薄膜用于制造更轻薄可靠的锂离子电池
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