幫鋰離子電池加裝「溢洪道」,有效避免失控連鎖反應

發佈日期: 2020 年 04 月 09 日 10:06 | 作者: | 分類: 產業資訊

目前許多科學家正絞盡腦汁想提高鋰離子電池的安全性,致力降低電池過熱爆炸風險,這時候,他們首先要解決的頭號難題為充放電過程中生成的「鋰晶枝問題」,對此,加州大學聖地牙哥分校(UCSD)已透過「溢洪道」概念,有效防止失控反應。

鋰離子電池備受歡迎,與傳統的電池技術相比,鋰電池充電速度更快、續航力更久,並且具有更高的功率密度。手機之所以能小巧輕便,體積小高功率的鋰電池功不可沒,只是鋰電池並非完美無缺,隨著充放電次數增加,電極會形成尖刺樹枝狀的鋰晶枝,最終將長到足以刺穿減緩電流和熱量的隔離膜,使電池內部短路,縮短使用壽命。

而抑制鋰晶枝的方法有許多種,包括利用電解質添加劑、多維立體電流收集器、隔離膜表面改質等方法,但都有處理程序複雜及循環壽命效果不佳等問題,為此現在科學家也有提出新方法,像是用超音波或特殊保護層來防止晶枝生長。

對此 UCSD 團隊則帶來另一種方法,決定微調電池的隔離膜。鋰離子電池主要由兩個電極,電極之間的電解質與隔離膜組成,離子首先會從鋰陰極(正極)出發,經過電解質與隔離膜最後抵達石墨陽極(負極)。

團隊將導電奈米碳管附塗在隔離膜上,當枝晶形成並刺穿隔離膜時,電子就會聚集在奈米碳管上,緩慢地從電池釋出,這種方法就如同避免水壩潰堤的「溢洪道」一樣,藉由宣洩超過水庫容量的水,避免水溢頂破壞水壩。

論文的第一作者 Matthew Gonzalez 表示,新型隔離膜會緩慢地排出過多的電荷,同時還可防止電子「溢出」到陰極那一側,當它攔截到鋰晶枝時,電池會開始自放電,因此電池短路時就不會有足夠的能量爆炸。

在測試中,裝有全新隔離膜的鋰電池劣化過程是緩慢且漸進式,在充放電 20 到 30 次內慢慢退化,但若是採用傳統隔板,電池可能會在某一循環中突然壞掉。團隊表示,過去電池爆炸之前,不會有任何的警告,可能前一秒還很正常,下一秒鐘就起火,這是完全無法預測的,採用新型隔離膜就會有預先警示。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:Paralog via Flickr CC BY-ND 2.0)

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