纳米金刚石—阻止锂离子电池短路

发布时间：2017/9/13 0:06:57

尽管锂离子电池广泛应用于从手机到笔记本电脑等移动设备，并且是目前商业电池中寿命*长的一种，但是由于移动设备的短路，近来锂离子电池也遭遇了一些崩溃和火灾。为了防止更多的这些危险事故的发生，德雷克塞尔大学的研究人员开发了一种方法，将电解液（大多数电池的关键部件）转化为防止导致电池类似灾害的化学物质。

德雷塞尔大学工程学院教授Yury Gogotsi及其材料科学与工程系的研究团队*近发表了一篇关于自然通讯工作的论文。在文中，他们描述了通过纳米金刚石 - 比头发直径小10,000倍的微小金刚石颗粒，来减少电镀产生的电化学沉积，这种电化学沉积有可能会导致锂离子电池短路。

随着电池的反复使用和充电，电化学反应导致离子在电池的两个电极之间来回移动，这是电流产生的本质。随着时间的推移，这种离子的重新定位可以产生类似卷须的积聚—就像在洞内形成的钟乳石。这些称为枝晶的电池积聚是锂离子电池发生故障的主要原因之一。

随着时间的推移，随着电池内部的树枝状结构的形成，它们可以达到其穿过隔板的点，这种多孔聚合物膜可以有效防止电池带正电的部分接触带负电的部分。当该分离器被破坏时，则可能会发生短路，也可能导致火灾，因为大多数锂离子电池中的电解质溶液都是高度易燃的。

为了避免树枝状结构的形成，降低火灾的概率，目前的电池电极是由一个充满锂的石墨制成的电极，而不是纯锂。使用石墨作为锂的主体可以帮助防止树突的形成，但是锂嵌入的石墨会比纯锂储存的能量低约10倍。 Gogotsi团队的突破意味着现在可以通过在纯锂电极中消除枝晶形成来大大增加能量储存。

“电池安全问题是这项研究的关键，”Gogotsi说。 “手表中的小一次电池使用的是锂阳极，但它们只能放电一次，当您一次又一次地充电时，树突开始增长，可能有几个安全周期，但迟早会发生短路，我们想消除或至少*小化这种可能性。“

Gogotsi和他在北京的清华大学和中国武汉的Hauzhong科技大学的合作者正在专注于使锂阳极更加稳定，并且电镀更均匀，从而不会增长树突。

他们通过在电池中的电解质溶液中加入纳米金刚石来做到这一点。纳米金刚石已经在电镀工业中作为一种使金属涂层更为均匀的方式，已经使用了一段时间。虽然它们比珠宝商案例中的钻石要小得多而且更便宜，但纳米金刚石仍然保留了昂贵的祖细胞的规则结构和形状。当它们沉积时，它们自然地一起滑动并形成光滑的表面。

研究人员发现这种性质对于消除枝晶形成非常有用。他们在文中解释说，锂离子可以很容易地附着到纳米金刚石上，所以当离子平板化电极时，它们以与其所连接的纳米金刚石颗粒以相同的方式进行。在报告中提到，将纳米金刚石混入锂离子电池的电解液中，通过100次充电 - 放电循环将树枝状结构减慢到零。

这就像一个俄罗斯方块游戏：一堆不匹配的块在危险的接近“游戏结束”中相当于一个树突。将纳米金刚石添加到混合物中就像使用代码将每个新块滑动到适当的位置以完成线并防止形成威胁塔。

Gogotsi指出，他们团队的发现只是一个过程的开始，*终可以找到合适的电解质添加剂，如广泛用于生产具有高能量密度的安全锂电池的纳米金刚石。初始结果已经显示出长达200小时的稳定的充放电循环，这足以在一些工业或军事应用中使用，但对于在膝上型电脑或手机中使用的电池来说不足够长。研究人员还需要在不同的物理条件和温度下在足够长的时间内测试大量的电池，以确保枝晶永远不会生长。

Gogotsi说：“这可能是随机变化的，但不能完全确定树突不会增长。” “我们预计这次提出的技术的首次使用将会在不太关键的应用领域中，而不是在手机或汽车电池中。为了确保安全性，电解质添加剂（如纳米金刚石）需要与其他预防措施相结合，如阻燃电解质、更安全的电极材料和更强的分离器等。

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