利用碳纳米管网制成新型电池隔膜让电池变得更加安全

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种安全特性，可以防止锂金属电池在内部短路时迅速升温并着火。由加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授刘平和他的博士生马修冈萨雷斯领导的研究人员在《先进材料》杂志上发表了一篇论文，详细介绍了他们的工作。

锂金属电池在性能方面具有很大的潜力，但在目前的形式上很容易发生故障。这是由于被称为树枝状晶体的针状结构的生长所致，该树枝状结构在电池充电后在阳极上形成，并且可以刺穿隔板，而隔板是在阳极和阴极之间形成的屏障，可减慢能量和热量的流动。

当这个障碍被破坏并且电子可以更自由地流动时，它们会产生更多的热量，并且事情会失控，导致电池过热、失效、着火甚至爆炸。科学家们正在寻求以各种方式解决锂金属电池中的这些问题，其中使用超声波或特殊的保护层来防止枝晶生长只是其中的几种可能性。

该团队对电池中被称为隔膜的部分进行了巧妙的调整，隔膜是电池正极和负极之间的屏障，这样一来，当电池短路时，电池内部积聚的能量（也就是热量）流动就会减慢。

论文第一作者冈萨雷斯说：“我们并不是试图阻止电池故障的发生。我们只是让电池变得更加安全，这样当它发生故障时，电池就不会灾难性地着火或爆炸”。

锂金属电池在反复充电后，阳极上会出现树突的针状结构。随着时间的推移，树突生长得足够长，穿透隔膜，在阳极和阴极之间架起一座桥梁，导致内部短路。当这种情况发生时，两个电极之间的电子流动失去控制，导致电池立即过热并停止工作。

加州大学圣地亚哥分校的研究小组发明的隔板基本上缓解了这种现象。一面覆盖着一层薄的、部分导电的碳纳米管网，它可以拦截任何形成的树突。当一个树突刺穿隔膜并撞击碳纳米管网时，电子就有了一个通道，它们可以慢慢地排出，而不是一下子直接冲向阴极。

冈萨雷斯将新的电池分离器比作大坝上的泄洪道。他说：“当大坝开始溃决的时候，就会打开溢洪道，让一些水以一种可控的方式流出来。这样，当大坝真的决堤并外溢的时候，就没有多少水可以引发洪水了。这就是我们的分离器的想法，大幅降低电荷的排出速度，防止电子“泛滥”到阴极。当树突被分离器的导电层拦截时，电池就会开始自我放电，这样当电池短路时，就没有足够的能量来产生危险了。”

其他的电池研究工作集中在用足够坚固的材料来阻挡树突的穿透来制造分离器。但冈萨雷斯说，这种做法的一个问题是，它只是延长了不可避免的结果。这些分离器仍然需要有孔，让离子通过，以便电池的工作。因此，当树突最终通过时，短路将变得更糟。

在测试中，安装了新分离器的锂金属电池在20到30次循环中显示出逐渐失效的迹象。与此同时，电池与一个正常（和略厚）分离器经历突然故障在一个周期。

“在一个真实的用例场景中，你不会有任何关于电池即将失效的预先警告。前一秒可能还好，下一秒就会着火或完全短路。这是不可预测的，”冈萨雷斯说。“但有了我们的分离器，你就会提前得到警告，电池越来越差，越来越差，越来越差，每次充电都是如此。”

虽然这项研究的重点是锂金属电池，研究人员说，这种分离器也可以用于锂离子和其他电池化学反应。研究小组将致力于优化分离器的商业使用。加州大学圣地亚哥分校已经为研究申请了一项临时专利。

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