冷冻可以解决锂电池的安全问题

文章作者:EDN Asia万博官方app

哥伦比亚大学(Columbia University)的工程师开发出一种新的冷冻方法，可以让锂电池更安全，不仅寿命更长，而且可以弯曲。

哥伦比亚工程学院材料科学与工程助理教授袁洋开发了一种新方法，利用冰模板来控制用于便携式电子设备、电动汽车和电网级储能的锂电池的固体电解质结构。

用于商用锂电池的液体电解质是高度易燃的，导致某些笔记本电脑和其他电子设备的安全问题。杨的团队探索了使用固体电解质作为液体电解质制造全固态锂电池的替代品的想法。他们有兴趣使用冰模板来制造垂直对齐的陶瓷固体电解质结构，其提供快速锂离子途径并且具有高导电性。

图1:在左图中，陶瓷颗粒随机分散在聚合物基体中，离子传递被低电导率的聚合物基体阻断。在右图中，垂直排列和连接的结构有利于离子的传输，这可以通过冰模板法实现。(来源:Yuan Yang/Columbia Engineering)

这一过程包括用陶瓷颗粒从底部冷却水溶液，然后让冰生长，推开陶瓷颗粒并将其浓缩。然后，研究人员利用真空将固体冰转变为气体，留下一个垂直排列的结构。最后，他们将这种陶瓷结构与聚合物结合起来，为电解质提供机械支撑和灵活性。

“在便携式电子设备和电动汽车中，柔性全固态锂电池不仅解决了安全问题，还可能增加运输和存储电池的能量密度。他们在创造可弯曲的设备方面显示出了巨大的潜力。”杨说，他的研究小组专注于电化学能量存储和转换以及热能管理。

图2:锂电池原理图。(来源:Yuan Yang/Columbia Engineering)

在早期的研究中，研究人员在聚合物电解质中使用了随机分散的陶瓷颗粒，或者使用了不垂直排列的纤维状陶瓷电解质。

“We thought that if we combined the vertically aligned structure of the ceramic electrolyte with the polymer electrolyte, we would be able to provide a fast highway for lithium ions and thus enhance the conductivity,” said Haowei Zhai, Yang’s PhD student and the paper’s lead author. “We believe this is the first time anyone has used the ice-templating method to make flexible solid electrolyte, which is nonflammable and nontoxic, in lithium batteries. This opens a new approach to optimise ion conduction for next-generation rechargeable batteries.”

研究人员表示，该技术还可以提高电池的能量密度。通过使用固体电解质，锂电池的负极，目前是石墨层可以被锂金属代替，这可以将电池的特定能量提高60％至70％。

Yang和Zhai接下来计划优化组合电解质的质量，并将柔性固体电解质与电池电极组装在一起，构建一个全锂电池的原型。