1月15日，一項(xiàng)在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)步》雜志的新研究顯示：一種靜電紡絲材料制成的核殼結(jié)構(gòu)的分離器，其聚合物殼在高溫下會(huì)發(fā)生溶解，釋放出阻燃材料，可以有效防止鋰電池起火燃燒。

背景

鋰電池，如今廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子設(shè)備，例如智能手機(jī)、平板電腦、智能硬件等等。另外，它也被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的最有前途的能量來源之一。它具有能量密度高、循環(huán)性能穩(wěn)定、綠色環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

安全

但是安全是阻礙鋰電池發(fā)展的一個(gè)重要因素，近些年關(guān)于鋰電池燃燒和爆炸的事故報(bào)道很頻繁，例如三星galaxynote7爆炸、特斯拉電動(dòng)汽車自燃、鋰電池工廠起火等等。

網(wǎng)友展示的三星note 7手機(jī)充電時(shí)發(fā)生爆炸的圖片

那么，到底是什么引起鋰電池燃燒的呢?目前，業(yè)界普遍認(rèn)為鋰電池的燃燒和高度易燃的有機(jī)電解液相關(guān)。這種易燃性電解液包含的安全隱患，是阻礙鋰電池進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸。

鋰電池又是怎樣發(fā)生燃燒的呢?例如，當(dāng)鋰電池發(fā)生內(nèi)部或者外部短路后，其內(nèi)部會(huì)在短時(shí)間內(nèi)，釋放出大量熱量，溫度極劇升高，導(dǎo)致熱量失控。然后，這種易燃性的電解液會(huì)被點(diǎn)燃，最終導(dǎo)致電池起火或者爆炸。

方案

目前，針對電解液易燃的問題，我在之前的文章中也曾介紹過一些解決方案例如使用固態(tài)電解質(zhì)，開發(fā)固態(tài)鋰電池，但是其成本較高。此外，還有就是使用新的能量供給方式，例如利用人體動(dòng)能給電子設(shè)備提供能量，目前這個(gè)方案還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

另外一個(gè)很直接的方案就是在現(xiàn)有的電解液中增加阻燃劑。但是，為了完成阻燃性，就需要在電解液中添加大量的阻燃劑，這樣會(huì)相應(yīng)地降低電解液的離子導(dǎo)電性，顯著影響鋰電池的電化學(xué)性能和能量密度。

創(chuàng)新

最近，美國斯坦福大學(xué)的研究人員，制造了一種新型“智能”靜電紡絲分離器，它具有熱量觸發(fā)機(jī)制，內(nèi)部含有阻燃劑，可用于防止鋰離子電池燃燒。

在這種結(jié)構(gòu)中，阻燃劑包裝在聚合物保護(hù)殼的內(nèi)部，以防阻燃劑直接溶解到電解液中，從而給電池性能造成負(fù)面影響。當(dāng)鋰電池內(nèi)部的熱量過高時(shí)，聚合物保護(hù)殼會(huì)因?yàn)楦邷囟l(fā)生溶解，釋放出阻燃劑，從而有效抑制高度易燃的電解液發(fā)生燃燒。

這種新型靜電紡絲超細(xì)纖維分離器結(jié)構(gòu)和功能示意圖如下：

圖片來源于：Liu et al./斯坦福大學(xué)

對于該圖的相關(guān)說明如下：

(A)這個(gè)獨(dú)立的分離器由超細(xì)纖維組成，具有“核殼”結(jié)構(gòu)，阻燃劑位于核心，聚合物是殼。阻燃劑的包裝在聚合物保護(hù)殼的內(nèi)部，以防直接溶解于電解液中給電池電化學(xué)性能帶來副作用。

(B)當(dāng)熱量過高后觸發(fā)，聚合物保護(hù)殼發(fā)生溶解，然后包裝在內(nèi)部的阻燃劑釋放到電解液中，有效的阻止了電解液的點(diǎn)火和燃燒。

另外，科學(xué)家在論文中還提及了該超細(xì)纖維分離器的材料的制造和顯微鏡下的示意圖：

圖片來源于：Liu et al./斯坦福大學(xué)

阻燃劑使用了一種廉價(jià)、功能強(qiáng)大的、普遍使用的材料“磷酸三苯酯”。在電池正常運(yùn)行期間，阻燃劑會(huì)很好地包含在聚合物保護(hù)殼的內(nèi)部，當(dāng)分離器的溫度高于一定溫度時(shí)，聚合物外殼發(fā)生溶解。在實(shí)驗(yàn)中，阻燃劑完全撲滅電解液火災(zāi)只需0.4秒，如下圖所示鋰電池0.3秒時(shí)著火，0.7秒時(shí)火被撲滅。

圖片來源于：Liu et al./斯坦福大學(xué)

未來

研究人員表明，未來的研究包括進(jìn)一步進(jìn)行這種分離器的相關(guān)測試，例如針對電氣破壞現(xiàn)象：例如過度充電或者過度放電的測試;或者物理破壞現(xiàn)象例如：穿刺測試或者擠壓測試。

參考資料

【1】http://advances.sciencemag.org/content/3/1/e1601978