鋰電池允許電動(dòng)車(chē)一次充電幾百英里。他們的儲(chǔ)能能力眾所周知，但他們偶爾會(huì)著火的傾向 - 電池研究人員稱之為“熱失控”。當(dāng)電池過(guò)熱或快速循環(huán)時(shí)，這些火災(zāi)最常發(fā)生。隨著越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)在路上行駛，電池技術(shù)需要適應(yīng)以減少這些危險(xiǎn)和災(zāi)難性火災(zāi)的可能性。
伊利諾伊大學(xué)芝加哥工程學(xué)院的研究人員報(bào)告說(shuō)，21世紀(jì)的石墨烯 - 奇跡材料 - 可能會(huì)從鋰電池火災(zāi)中吸收氧氣。他們?cè)陔s志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)新型功能材料。
鋰電池著火的原因包括快速循環(huán)或充電和放電以及電池中的高溫。這些條件會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的陰極 - 在大多數(shù)鋰電池的情況下，它是含鋰氧化物，通常是鋰鈷氧化物 - 分解和釋放氧氣。如果氧氣與在足夠高的熱量下通過(guò)電解質(zhì)分解釋放的其他易燃產(chǎn)物結(jié)合，則可能發(fā)生自燃。
“我們認(rèn)為如果有辦法防止氧氣離開(kāi)陰極并與電池中的其他易燃產(chǎn)品混合，我們就可以減少發(fā)生火災(zāi)的可能性，”機(jī)械和工業(yè)副教授Reza Shahbazian-Yassar說(shuō)道。 UIC工程學(xué)院的工程學(xué)和論文的相應(yīng)作者。
事實(shí)證明，Shahbazian-Yassar非常熟悉的材料為這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)完美的解決方案。這種材料是石墨烯 - 一種具有獨(dú)特性質(zhì)的超薄碳原子層。Shahbazian-Yassar和他的同事之前曾使用石墨烯來(lái)幫助調(diào)節(jié)鋰金屬電池電極上的鋰?yán)鄯e。
Shahbazian-Yassar和他的同事知道石墨烯片對(duì)氧原子是不可滲透的。石墨烯也很堅(jiān)固，柔韌并且可以制成導(dǎo)電的。Shahbazian-Yassar和Soroosh Sharifi-Asl 是UIC的機(jī)械和工業(yè)工程研究生，也是該論文的第一作者，他認(rèn)為如果他們用石墨烯中的鋰電池的鋰鈷氧化物陰極包裹非常小的顆粒，它可能會(huì)阻止逃逸的氧氣。
首先，研究人員對(duì)石墨烯進(jìn)行了化學(xué)改性，使其具有導(dǎo)電性。接下來(lái)，他們將微小的鋰鈷氧化物陰極顆粒包裹在導(dǎo)電石墨烯中。
當(dāng)他們使用電子顯微鏡觀察石墨烯包裹的鋰鈷氧化物顆粒時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)與未包裹的顆粒相比，高溫下的氧氣釋放顯著減少。
接下來(lái)，它們將包裹的顆粒與粘合材料結(jié)合在一起以形成可用的陰極，并將其結(jié)合到鋰金屬電池中。當(dāng)他們?cè)陔姵匮h(huán)期間測(cè)量釋放的氧氣時(shí)，即使在非常高的電壓下，他們也幾乎看不到氧氣從陰極逸出。即使在200次循環(huán)后，鋰金屬電池仍然表現(xiàn)良好。
“相比傳統(tǒng)的鋰金屬電池，在相同條件下性能下降了約45％，包裹的陰極電池在快速循環(huán)后僅損失了約14％的容量，”Sharifi-Asl說(shuō)。
“石墨烯是阻止氧氣釋放到電解質(zhì)中的理想材料，”Shahbazian-Yassar說(shuō)。“它不透氧，導(dǎo)電，柔韌，并且足夠堅(jiān)固以承受電池內(nèi)的條件。它只有幾納米厚，所以沒(méi)有額外的質(zhì)量添加到電池。我們的研究表明它在陰極可以可靠地減少氧氣的釋放，這可能是這些電池發(fā)生火災(zāi)的一種方式 - 從我們的手機(jī)到我們的汽車(chē)，可以大大減少火災(zāi)。“