2020年7月15日
手机电池经常会发热，有时还会起火。在大多数情况下，这类事件的罪魁祸首可以追溯到锂电池。尽管锂电池可以提供持久的电流以保持设备通电，但它也会在内部短路，使设备升温。
德克萨斯农工大学的研究人员发明了一种可以防止锂电池发热和失效的技术。他们为电池的导电板设计的碳纳米管，称为阳极，能够安全存储大量的锂离子，从而降低起火的风险。
此外，他们表示，他们的新阳极结构将帮助锂电池充电速度比现有的商用电池更快。
“我们已经为锂电池设计了下一代阳极，能够高效地产生快速充电所需的大电流和持续电流，”J. Mike Walker '66机械工程系的Cho亚博老虎机网登录ongho Yu博士实验室的材料科学研究生Juran Noh说。
“此外，这种新的结构防止锂在阳极外积累，随着时间的推移，会导致电池两个隔间的内容物之间意外接触，这是设备爆炸的主要原因之一。”
他们的研究结果发表在3月份的杂志上纳米快报．
当锂电池在使用时，带电粒子在电池的两个隔间之间移动。yabo214锂原子放弃的电子从电池的一边移动到另一边。另一方面，锂离子向另一个方向运动。当电池充电时，锂离子和电子会回到它们原来的隔间。
因此，阳极的性能，或电池内锂离子的电导体，对电池的性能起着决定性的作用。一种常用的阳极材料是石墨。在这些阳极中，锂离子被插入石墨层之间。
然而，卢教授说，这种设计限制了锂离子可以储存在阳极内的数量，甚至需要更多的能量在充电时从石墨中取出离子。
这些电池还有一个更隐蔽的问题。有时锂离子不均匀地沉积在阳极上。相反，它们在阳极表面堆积成块，形成树状结构，称为树突。
随着时间的推移，树突生长并最终穿透分隔电池两个隔间的材料。这个缺口会导致电池短路，并可能导致设备起火。生长的树突还会消耗锂离子，使其无法产生电流，从而影响电池的性能。
Noh说，另一种阳极设计涉及使用纯锂金属代替石墨。与石墨阳极相比，金属锂阳极单位质量的能量含量或能量密度要高得多。但由于树突的形成，它们也会以同样灾难性的方式失败。
为了解决这个问题，Noh和她的队友们设计了使用高导电性、轻质材料碳纳米管的阳极。亚博网站下载这些碳纳米管支架包含空间或孔隙，锂离子可以进入和沉积。然而，这些结构并不能与锂离子结合。
因此，他们制造了另外两种表面化学性质略有不同的碳纳米管阳极——一种含有大量可以与锂离子结合的分子团，另一种含有相同的分子团，但数量更少。用这些阳极，他们制造电池来测试形成树突的倾向。
正如预期的那样，研究人员发现只用碳纳米管制成的支架不能很好地与锂离子结合。因此，几乎没有树突形成，但电池产生大电流的能力也受到了损害。另一方面，结合分子过多的支架会形成许多树突，缩短电池寿命。
然而，具有最佳结合分子数量的碳纳米管阳极阻止了树突的形成。此外，大量的锂离子可以结合并沿着支架表面扩散，从而提高电池产生大电流、持续电流的能力。
当结合分子团丰富时，由锂离子组成的锂金属团块最终会堵塞支架上的孔隙。但是当我们有适量的这些绑定分子,我们可以“解压缩”碳纳米管支架在某些地方,允许锂离子通过和绑定到整个支架表面而不是积累的外表面阳极,形成树突。”
Noh说，他们最好的阳极处理电流比商用锂电池多5倍。她指出，这一功能对需要快速充电的大型电池尤其有用，比如电动汽车上使用的电池。
“几十年来，制造安全且寿命长的锂金属阳极一直是一项科学挑战，”能剧说。“我们开发的阳极克服了这些障碍，是向锂金属电池的商业应用迈出的重要的第一步。”
该研究的其他贡献者包括来自机械工程系的谭健;材料科学与工程系的Digvijay Rajendra Yadav, Peng Wu和Kelvin Xie博士。亚博网站下载亚博老虎机网登录
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