红色胜于恐惧:屏障保护电池安全

红色胜于恐惧:屏障保护电池安全

莱斯大学的科学家们已经采取了下一步行动,通过使锂金属电池更安全、更容易制造,来部署功能强大的可充电电池。

图片说明:可充电锂金属电池中的一层红磷会在损坏树突时发出信号,从而造成短路。莱斯大学开发的这项技术可以产生更强大的锂金属电池。由旅游团提供

化学家詹姆斯·图尔(JamesTour)的莱斯实验室在分离器上涂上一层红磷,使阳极和阴极保持分离。磷可以充当管理系统的间谍,管理系统通过检测树突的形成来给电池充电和监控电池,而树突和锂离子的突出物会导致电池失效。

锂金属阳极的充电速度要快得多,其容量比市面上几乎所有电子设备(包括手机和电动汽车)使用的普通锂离子阳极的能量多10倍。阳极是电池运行所需的两个电极之一。

但是,注入锂离子的阳极会形成树突,如果它们到达阴极,就会引起短路,并可能引发火灾或爆炸。当一个树枝状物到达一个红磷涂层的分离器时,电池的充电电压会发生变化。告诉电池管理系统停止充电。

与其他提出的树突状探测器不同,RICE策略不需要第三个电极。

“用第三个电极制造电池非常困难,”Tour说。“我们提出了一种静态层,在电池充电时产生峰值电压。那个尖峰信号是关闭它的信号。”

在巡检实验室进行的电池试验中,红磷层对电池的正常性能没有显著影响。

研究人员构建了一个透明的测试池,用电解质(电极和隔膜之间的液体或凝胶状材料,允许电池产生电流)来加速阴极老化并促进枝晶生长。让他们在观察树突生长的同时监测电压。

在普通的分离器中,他们看到树枝状物接触并在电压不变的情况下穿透分离器,这将导致正常的电池发生故障。但在红磷层中,当树枝晶接触到分离器时,他们观察到电压急剧下降。

图尔说:“一旦一个生长中的树突接触到红磷,它就会在充电电压中发出信号。”“当电池管理系统感觉到这一点时,它会说,‘停止充电,不要使用。’”

红色胜于恐惧:屏障保护电池安全

半电池锂金属电池的图像显示树突接近红磷分离器。当树枝状物可能产生短路时,分离器会向电池的电子设备发送一个信号,关闭电池。莱斯大学的科学家们的发现有助于使锂电池更安全。由旅游团提供

去年,实验室引进了碳纳米管薄膜,似乎完全阻止了锂金属阳极的枝晶生长。

图尔说:“通过结合这两项最新进展,锂树枝晶的增长可以得到缓解,而且有一项内部保险政策,即在不太可能发生的情况下,即使是单个树枝晶也将开始向阴极生长,电池也将关闭。”

他说:“从字面上讲,当你制造一个新电池时,你就制造了超过十亿个。”“这两个可能会失败吗?人们只需要几次火就可以真正的感到焦虑。我们的工作为电池的安全提供了进一步的保证。我们提出了另一个保护层,应该很容易实现。”

水稻研究生王拓是论文的主要作者,博士后研究员罗德里戈·萨尔瓦蒂埃拉是论文的共同作者。Tour是T.T.和W.F.Chao的化学主席,同时也是水稻的计算机科学和材料科学和纳米工程教授。

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