为了防锂电池起火丨斯坦福大学开发了一个“微型灭火器”

绿丞2018-09-22 17:24:50



15日,一项在线发表于《Science Advances》杂志的新研究显示:一种静电纺丝材料制成的核壳结构的分离器,其聚合物壳在高温下会发生溶解,释放出阻燃材料,可以有效防止锂电池起火燃烧。

背景

锂电池,如今广泛应用于消费类电子设备,例如智能手机、平板电脑、智能硬件等等。另外,它也被认为是电动汽车的最有前途的能量来源之一。它具有能量密度高、循环性能稳定、绿色环保、使用寿命长等优点。


安全

但是安全是阻碍锂电池发展的一个重要因素,近些年关于锂电池燃烧和爆炸的事故报道很频繁,例如三星galaxy note 7爆炸、特斯拉电动汽车自燃、锂电池工厂起火等等。


网友展示的三星note 7手机充电时发生爆炸的图片


那么,到底是什么引起锂电池燃烧的呢?目前,业界普遍认为锂电池的燃烧和高度易燃的有机电解液相关。这种易燃性电解液包含的安全隐患,是阻碍锂电池进一步发展和应用的主要瓶颈。

锂电池又是怎样发生燃烧的呢?例如,当锂电池发生内部或者外部短路后,其内部会在短时间内,释放出大量热量,温度极剧升高,导致热量失控。然后,这种易燃性的电解液会被点燃,最终导致电池起火或者爆炸。

方案

目前,针对电解液易燃的问题,我在之前的文章中也曾介绍过一些解决方案例如使用固态电解质,开发固态锂电池,但是其成本较高。此外,还有就是使用新的能量供给方式,例如利用人体动能给电子设备提供能量,目前这个方案还处于实验室阶段。


另外一个很直接的方案就是在现有的电解液中增加阻燃剂。但是,为了完成阻燃性,就需要在电解液中添加大量的阻燃剂,这样会相应地降低电解液的离子导电性,显著影响锂电池的电化学性能和能量密度。


创新

最近,美国斯坦福大学的研究人员,制造了一种新型“智能”静电纺丝分离器,它具有热量触发机制,内部含有阻燃剂,可用于防止锂离子电池燃烧。


在这种结构中,阻燃剂包装在聚合物保护壳的内部,以防阻燃剂直接溶解到电解液中,从而给电池性能造成负面影响。当锂电池内部的热量过高时,聚合物保护壳会因为高温而发生溶解,释放出阻燃剂,从而有效抑制高度易燃的电解液发生燃烧。


这种新型静电纺丝超细纤维分离器结构和功能示意图如下:


图片来源于:Liu et al./斯坦福大学


对于该图的相关说明如下:


(A) 这个独立的分离器由超细纤维组成,具有“核壳”结构,阻燃剂位于核心,聚合物是壳。阻燃剂的包装在聚合物保护壳的内部,以防直接溶解于电解液中给电池电化学性能带来副作用。


(B) 当热量过高后触发,聚合物保护壳发生溶解,然后包装在内部的阻燃剂释放到电解液中,有效的阻止了电解液的点火和燃烧。


另外,科学家在论文中还提及了该超细纤维分离器的材料的制造和显微镜下的示意图:


图片来源于:Liu et al./斯坦福大学



阻燃剂使用了一种廉价、功能强大的、普遍使用的材料“磷酸三苯酯”。在电池正常运行期间,阻燃剂会很好地包含在聚合物保护壳的内部,当分离器的温度高于一定温度时,聚合物外壳发生溶解。在实验中,阻燃剂完全扑灭电解液火灾只需0.4秒,如下图所示锂电池0.3秒时着火,0.7秒时火被扑灭。



图片来源于:Liu et al./斯坦福大学


未来

研究人员表明,未来的研究包括进一步进行这种分离器的相关测试,例如针对电气破坏现象:例如过度充电或者过度放电的测试;或者物理破坏现象例如:穿刺测试或者挤压测试。




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