钜大LARGE | 点击量：732次 | 2021年12月17日
斯坦福大学重新设计电池集电器，德州农工大学创造碳纳米管支架克服锂离子电池过热故障
技术领域杂乱无章地充斥着所谓"更好的"电池的承诺，这些电池在实验室里看起来很有前途，但在商业上却没有成功，假设在实际商业化之前，甚至有人试图将其扩大到试运行。虽然未能实现飞跃的原因和电池进步本身一样五花八门，但这并不意味着创新者已经停止了尝试。
现在，两个不相关的研究团队--一个在斯坦福大学/SLAC，另一个在德克萨斯农工大学--已经设计出了他们所说的将更安全、更好的电池。这些进展解决了这种锂基(Li-ion)电化学储能库的双重现实--其高能量密度和与这种密度相关的风险。
斯坦福大学的一个团队与能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员合作，重新设计了电池中的铜箔或铝箔薄片，称为集电器（最重的电池部件之一），使它们的重量减少了80%，并能立即熄灭任何发生的火灾。这些集流器分配流进或流出电极的电流，占一些大功率或超薄电池重量的15%到50%。
该团队建立了以轻质聚酰亚胺聚合物为基础的电流收集器的制作和测试实验，这种聚合物具有耐火性，并能承受电池快速充电所产生的高温。聚合物中还嵌入了一种阻燃剂-磷酸三苯酯，或称TPP；随后在其两面涂上一层超薄的铜（图1）。
1.重新设计的电流导体（将电流分配到电极和从电极出来的薄金属箔）使锂离子电池更轻、更安全、更高效。他们用涂有超薄铜的轻质聚合物层（右上）取代了全铜导体（中间），并在聚合物层中嵌入阻燃剂以熄灭火焰（右下）。(来源：叶玉生/斯坦福大学)
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%
因此，铜既完成了分配电流的作用，又保护了聚合物及其内部的阻燃剂，对抑制火灾和发火非常有效（图2）。
2.当暴露在明火中时，用今天的商用集电体制造的锂离子袋式电池(上排)会起火并剧烈燃烧，直到所有的电解液烧掉。使用新型阻燃集电体的电池（下排）产生的微弱火焰在几秒钟内就熄灭了，即使科学家们试图重新点燃它们，也没有再次燃起。(来源：叶玉生/斯坦福大学)
与现在的版本相比，这一变化使目前的集电体重量减轻了80%。博士后研究员叶玉生指出，这"相当于在各种类型的电池中增加了16%到26%的能量密度，而且它的电流传导能力和普通集电体一样好，没有退化"。
领导这项研究的SLAC和斯坦福大学教授YiCui补充道："电流收集器一直被认为是死物，直到现在还没有成功地利用它来提高电池性能。人们也曾尝试在电池电解液中添加阻燃剂，也就是易燃部分，但你只能添加这么多，然后它就会变得粘稠，不再能很好地传导离子。"
他们在《自然》杂志上的论文"Ultralightandfire-inguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries"中详细介绍了这项工作，同时还提供了补充资料和许多视频（虽然主论文在付费墙后，但这里有它的预印本）。研究人员还申请了专利。这项工作得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室、车辆技术办公室根据锂离子电池的eXtreme快速充电电池评估（XCEL）项目的支持。
德州农工大学的CNT方法
在德州农工大学，研究人员创造了一种防止锂电池过热和失效的技术。他们为电池设计的碳纳米管(CNT)能够安全地储存大量的锂离子，从而降低火灾风险。此外，它还将帮助锂电池的充电速度快于目前的市售电池。
"这种新的架构可以防止锂在阳极外积聚，随着时间的推移，会导致电池两厢内容物之间的意外接触，这是设备爆炸的主要原因之一，"该团队的材料科学研究生JuranNoh说。
研究人员试图克服众所周知的树枝状问题，它们的生长最终会穿透分隔电池两格的材料，导致短路，从而导致电池点燃。长出的树枝状物还会消耗锂离子，使其无法用于产生电流流，从而对电池的性能产生不利影响。
该团队设计了使用碳纳米管作为支架的阳极，其上有空间或孔洞，供锂离子进入和沉积。不过这些结构不容易与锂离子结合，这不仅阻碍了树枝生长，也阻碍了电池提供大电流的能力。
然而，用最佳数量的结合分子对CNT阳极进行额外的"微调"，防止了树枝状物的形成，使大量的锂离子能够结合并沿着支架的表面扩散（图3）。这增强了电池产生大电流、持续电流的能力。
3.德克萨斯农工大学的团队创造了一种碳纳米管支架，它能最大限度地减少树枝生长，同时还能为锂离子提供必要的结合面。(来源：德州农工大学)
正如Noh所指出的那样，"当我们拥有适量的这些结合分子时，我们就可以在某些地方'解开'碳纳米管支架，让锂离子通过并结合在支架的整个表面上，而不是聚集在阳极的外表面并形成树枝状。"
在他们的过程中，他们将锂插入到多孔、三维、CNT结构中，其表面被改变为具有恐锂、亲锂和杂化的恐锂/亲锂特性（"恐锂"指的是材料"润湿"表面的能力或倾向）。他们的结果显示了16mAh/cm2的高面积容量，以及8mA/cm2的电流密度，但却没有明显的树枝形形成或体积膨胀（另一个常见的电池问题）。
为了分析他们的制造效果，他们进行了电压/电流曲线的in-operando研究（in-operando是指"一种分析方法，即对正在进行反应的材料进行表征的同时，还要对催化活性进行测量"，比更著名的原位分析更为先进）。
