锂电池技术关键突破:短路折叠水淹火烧撞击都不怕

硬件

03-31 09:36

本文来自微信公众号「量子位」(ID:QbitAI),作者晓查、郭一璞,爱范儿经授权发布。

Bong!

锂电池爆炸,真是太危险了。

小则损伤财物,大则影响生命安全。

但是,谁让它能量密度大呢?总不能为了玩手机,扛个铅酸电池出门吧。

然而现在,情况有了转机。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室科学家 Konstantinos Gerasopoulo 的团队,创造了一种新的锂电池。

在保持性能的前提下,这种新电池不怕水泡、不怕火烧、不怕折叠或重击,甚至能像纸片一样随意裁剪随意折叠,即使短路也还能继续使用。

要是它能普及,你可能就再也看不到「xx 品牌手机爆炸」的新闻了。

这简直是消费电子行业大救星,机场安检人员的福报啊。

甚至,连一向严肃的媒体《连线》都用了「Invincible」无敌这个词来评价它。

短路折叠水淹火烧撞击都不怕

这种新的锂电池最逆天的属性,就是:

耐操

首先,普通电池一旦被短路,报废算好的,没爆炸着火都是福大命大。

但这种新电池,短路之后,你把它短路的地方断开,它不仅不会发生危险,甚至还能继续充放电循环将近 100 小时。

简直是原地满血复活啊!

而且,在地球上的绝大多数恶劣环境下,这种新电池都能撑得住,不仅不会像传统锂电池一样爆炸,能保证安全;甚至还能继续工作供电。

比如说,被折叠的时候,它本来就是软的,你可以随便玩弄,把它团成球、搓成卷,设置成任何形状,甚至装在衣服里面都没问题。

而且,这种新电池也不怕外部破坏,用剪刀剪掉一块,再放进盐水里,它不会被剪坏,还耐腐蚀,仍然可以供电。

既然不怕盐水,那把它装在用于水下的探测设备里也是十分可行的了。

甚至,在模拟弹道撞击的实验里,电池依然能保证运行。

这就再也不用担心电池跌落或者遭到撞击时着火了,有了这个特性,它将来或许能用在军事设施上,成为即使在枪林弹雨中可以运转的设备。

甚至你简单粗暴的直接放火烧也没啥问题。

研究人员直接把电池烧焦,然后把烧焦的部分剪下来,剩下的部分还能持续使用 100 小时。

不怕水,不怕火,不怕撞击,不怕短路,真是打不死的小强。

核心秘密在哪里?

那么,为什么这款电池这么强悍,还不会起火爆炸呢?

造成传统锂电池起火最重要的一个原因就是电解质。

由于锂的活性很高,使用锂离子的电池的时候,我们需要将正负极分离开。如果它们之间的隔膜受到外力作用被刺穿,将会造成短路。

而锂电池的电解质一般是易燃有毒的有机溶剂,很快在短路产生的巨大热量下燃烧起来。

为了防止锂电池起火,科学家们想出了各种方法,比如不可燃的水代替有机电解质,代价却是损失电池的性能。

用水做电解质的锂电池电压低、能量密度低,一般电压不超过 2V,能量密度不超过 70Wh/kg。原因就在于电池的水实在太多了。所以如何降低这种电池中的水含量成了关键问题。

近年来,科学家们发现了一种在水中溶剂度极高的锂盐,叫做「双 (三氟甲磺酰基) 酰亚胺锂」(LiTFSI),可以将电池的稳定放电窗口提高到 3.0V。

由于溶液中盐的含量甚至超过了水,所以被叫做「盐包水」电池(WiS 或 WiBS)。

来自约翰霍普金斯大学的科学家们发现,还可以进一步突破「盐包水」电池的极限。他们把锂盐溶液放在一种聚丙烯酸类的凝胶中。

用一种凝胶的物质巧妙地解决了这个问题。

聚丙烯酸是一种特别能「藏水」的聚合物,在生活中也很常见,我们玩的彩色吸水珠,主要成分就是它。

当然,电池里的物质不是吸水珠,而是由聚丙烯酸酯为前体,用紫外光照射使之聚合,生成的 MPEGA 和 PEGDA 交联体。

由于这种物质中含有大量的羟基,可以把锂盐水溶液锁在其中。

将凝胶电池进一步处理后得到的浓缩凝胶盐包水电池(C-W-GPE)的问题放电窗口已经达到了 4.1V,和我们现在手机普遍使用的电池相当。

应用还待落地

当然,还没到马上应用的时候。

这种新型电池,还需要进一步的技术提升,因为现在只能充放电循环 100 次,研究人员们准备调整一下电解质来解决这个问题。

有意思的是,就在 2019 年,锂电池的发明者 Goodenough——「棒的很」老爷子,也获得了 2019 年诺贝尔奖。

但是在锂电池进化的这条道路上,我们还有很长的路要走。

光是正极材料就有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等,每种材料的安全性、寿命、能量密度各有不同,不同厂家都在发展自己的技术。

针对锂电池的安全性就有不同的解决方案,JHU 的这种方法并非着眼于正负极材料,而是将电解质换成安全性更高的凝胶,更难能可贵的是电池在经历各种破坏时也不会发生危险,甚至之后还能正常使用……

这就给广大依赖锂电池的产品和设备,带来了福音。

特别是电动车,锂电池的「安全感」,始终是车主和乘客最担心的环节。

但现在,一切开始不同了。

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