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新型多孔固态锂离子电池:避免过热危险

2015-07-13 09:33
木中君
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  基础科学研究所(IBS)的自组装和复杂性中心和韩国浦项大学先进材料科学化学系的研究人员,已开发出一种新型多孔固态锂离子电池(LIB),性能得到提高并避免了过热的风险。

  (上图)锂前驱体简单合并的多孔锂CB具有高锂离子传导率和流动性,是一种更加安全的干燥固体锂电解质

  锂离子电池可有效代替传统的铅酸电池,自19世纪50年代末以来,铅酸电池一直被使用。由于具有轻量、高能量密度和充电损失小的优点,锂离子电池在消费电子产品领域备受推崇。带有钴阴极的锂电池可存储四倍于铅酸电池和两倍于镍基电池的能量。

  尽管锂离子电池被认为是具有优越性能的商业电池,但使用上仍有一些局限。现有的制造技术已经几乎达到了锂离子电池的理论能量密度极限。由于过热发生的热溢出,即“冒火”,构成锂电池的重大挑战。

  自2002年以来,用于消费电子产品的锂离子电池,仅在美国就出现近40起火灾或爆炸事件。这些以不同锂阳极组合的电池仍然是现代消费电子产品的重要组成部分,无论它们曾有多么糟糕的高温事故记录。

  韩国研究人员介绍了一种完全不同的方法。基础科学研究所的KimoonKim博士说,“我们已经研究多孔CB[6]的高度各向异性(取向依赖)质子导电行为,可作为燃料电池的电解质。这种多孔CB[6]电解质的锂离子传导很可能比现有的材料更安全,现有电池利用简单浸泡方法制备有机固体基电解质。”

  现有锂离子电池技术采用具有良好性能的夹层锂。但是,更轻且更高功率的技术需求促使新型电解质的不断研究。

  新开发的电池由南瓜形状的分子构成,该分子被称为cucurbit[6]uril(CB[6]),以蜂窝状结构分布。分子构成极薄的平均直径为7.5埃的一维通道[单个锂离子约0.76埃或0.76×1010 m]并在其间传递。此外,多孔CB[6]的物理结构可以使锂离子比传统的锂离子电池更自由地扩散,并不需要其他电池中的分离器。

  实验结果显示多孔CB固体电解质具有良好的锂离子电导率。与现有电池的电解质相比,研究小组进行了锂离子迁移数的测定(tLi +),观察到该值在0.7到0.8,超过现有电解质的0.2-0.5。

  此外,他们将新电池暴露温度高达373K (99.85°C)的环境中,超过现有电池的标准高温极限80°C。在实验中,电池在从298K到373K(24.85°C到99.85°C)循环变化四天。结果在任何周期后均无热溢出现象,几乎没有或很轻微的电导率变化。

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