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如何用“太空润滑剂”解决锂电池易燃特性

导读: 电动汽车搭载的动力电池大多都是锂离子电池,其热稳定性较差,如果没有良好的电控系统,那将成为道路上极大的安全隐患。除了电动汽车以外,消费电子产品所使用的锂电池同样有易燃特性,虽然出厂前已经过安全检测,但诸如手机电池爆炸之类的新闻还是经常见诸报端。

  那些不看好电动汽车的人,常为其冠以“移动炸弹”这样的称号。的确,电动汽车搭载的动力电池大多都是锂离子电池,其热稳定性较差,如果没有良好的电控系统,那将成为道路上极大的安全隐患。除了电动汽车以外,消费电子产品所使用的锂电池同样有易燃特性,虽然出厂前已经过安全检测,但诸如手机电池爆炸之类的新闻还是经常见诸报端。

  近日,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校( UNC Chapel Hill)的研究人员,在试验一种叫做全氟聚醚(Perfluoropolyether)的聚合物时,发现该物质能够与锂盐溶解,这意味着可以在电池中实现导电的特性。研究人员Dominica Wong解释:“大多数的聚合物不会与盐类溶解,但这种物质可以。”最关键的是,它没有易燃性。

  全氟聚醚,简称PFPE,是一种常温下呈液体的聚合物,几十年来都被用作太空机械元件的润滑剂,具有极好的热、氧化稳定性。为什么说PFPE聚合物能够大大提高锂电池的热稳定性呢?这得先来简单了解下锂电池的放电原理,即锂离子从负极移向正极。然而手机、笔记本以及电动汽车上的电池除了放电还要进行充电,所以还需要电解质才行。在锂电池中,电解质一般都是富离子的聚酸二乙酯(DMC)。

  锂电池之所以不稳定,原因就在于DMC,这种物质即便在常温下也易燃。研究小组的负责人Joseph DeSimone直接表示:“它们(DMC)就是汽油的近亲。”所以,电动汽车在遭受撞击时,即便起火点不在电池,那么电池也很容易被引燃,从而让整台车成为一个“反应堆”。所以,如果能让PFPE代替DMC成为电解质,理论上电池的稳定性会大大提高。事实上,DeSimone的团队确实做到了。他们把PFPE与DMC进行了融合,共同作为锂电池的电解质,发现不仅电池的热稳定性大大提高,同时导电效率也大大提升。

  例如,Tesla Model S所采用的18650电池的离子迁移数一般为0.2,而以PFPE做电解质的电池在这个指标上则可以达到0.91。简单说明下这其中的道理:离子迁移数是衡量电解质性能的参数之一,该数值越接近1.0,说明锂电池的比能量和比功率越高。总之,0.91对比0.2,说明PFPE做电解质的锂电池在导电效率上是近乎完美的。

  DeSimone还特意拿锂-空气电池来说明问题。作为锂离子电池中能量密度最高的一种电池,锂-空气电池有一个瑕疵就是普通电解质与氧气并不兼容,而PFPE很有可能帮助解决这一问题。这样一来,能量密度与汽油同一水平的锂-空气电池离它的实用化将更进一步。关于这种电池的技术原理,读者可以参照我们之前的一篇文章。

  那么PFPE电解质的电池在热稳定性上究竟有怎样的表现呢?研究人员对其进行的测试表明:这种电池能够承受-90℃至200℃的温度区间。对于电动汽车的动力电池来说,这样的表现绰绰有余。而一般的锂离子电池的温度承受范围是-20℃至60℃,并且随着温度过低、过高,其导电能力会大打折扣。

  虽然离商用还有很长一段距离,但PFPE电解质电池至少向我们证明了一点:电动汽车的电池热稳定性和导电性能,是可以完全可以找到解决方案的。

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