手機(jī)電池發(fā)熱、爆裂、起火，這類事件背后的罪魁禍?zhǔn)卓梢宰匪莸?a href="http://m.newssweekly.com" style="color:#a98326">鋰離子電池。盡管鋰離子電池能供應(yīng)持久的電流，但它也會(huì)內(nèi)部短路，使設(shè)備發(fā)熱。

手機(jī)電池經(jīng)常發(fā)熱，有時(shí)可能會(huì)爆裂起火。在大多數(shù)情況下，這類事件背后的罪魁禍?zhǔn)卓梢宰匪莸戒囯x子電池。盡管鋰離子電池能供應(yīng)持久的電流，可以讓設(shè)備保持供電，但它會(huì)內(nèi)部短路，使設(shè)備發(fā)熱。

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種可以防止鋰離子電池發(fā)熱和失效的技術(shù)。他們將碳納米管設(shè)計(jì)為電池的導(dǎo)電板，即所謂的陽極，可以安全地儲(chǔ)存大量的鋰離子，從而降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。此外，他們還表示，他們的新陽極架構(gòu)將幫助鋰離子電池比目前的商用電池充電更快。

“我們已經(jīng)為鋰離子電池設(shè)計(jì)了下一代陽極，它能有效地出現(xiàn)快速為設(shè)備充電所需的大電流和持續(xù)電流，”機(jī)械工程系ChoonghoYu博士實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)研究生JuranNoh說。“此外，這種新的架構(gòu)還可以防止鋰在陽極外面積聚，隨著時(shí)間的推移，會(huì)導(dǎo)致電池兩廂內(nèi)容物之間的意外接觸，這是設(shè)備爆炸的重要原因之一。”

他們的研究結(jié)果發(fā)表在三月份的《NanoLetters》雜志上。

鋰離子電池在使用時(shí)，帶電粒子在電池的兩個(gè)隔層之間移動(dòng)。鋰原子放棄的電子會(huì)從電池的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)。另一方面，鋰離子則向另一個(gè)方向移動(dòng)。當(dāng)給電池充電時(shí)，鋰離子和電子會(huì)回到原來的隔間。

因此，陽極的特性，或者說是電池內(nèi)容納鋰離子的導(dǎo)電體，對(duì)電池的特性起著決定性的用途。一種常用的陽極材料是石墨。在這些陽極中，鋰離子被插入到石墨層之間。然而，Noh表示，這種設(shè)計(jì)限制了陽極內(nèi)可存儲(chǔ)的鋰離子數(shù)量，甚至在充電時(shí)要更多的能量將離子從石墨中拉出來。

這些電池還有一個(gè)更隱蔽的問題。有時(shí)鋰離子并不是均勻地沉積在陽極上。相反，它們?cè)陉枠O表面積聚成塊，形成樹狀結(jié)構(gòu)，稱為樹枝狀。隨著時(shí)間的推移，樹枝狀物會(huì)不斷生長，最終穿透分隔電池兩格的材料。這種枝晶會(huì)導(dǎo)致電池短路，并可能使設(shè)備著火。上升的樹枝狀物還會(huì)通過消耗鋰離子影響電池的性能，使其無法用于出現(xiàn)電流。

Noh表示，另一種陽極設(shè)計(jì)涉及使用純鋰金屬代替石墨。與石墨陽極相比，那些使用金屬鋰的陽極具有更高的單位質(zhì)量能量密度。但它們也會(huì)因?yàn)闃渲钗锏男纬啥酝瑯訛?zāi)難性的方式失敗。

為了解決這個(gè)問題，Noh和她的隊(duì)友們?cè)O(shè)計(jì)了使用被稱為碳納米管的高導(dǎo)電性、輕質(zhì)材料的陽極。這些碳納米管支架包含空間或孔洞，供鋰離子進(jìn)入并沉積。然而，這些結(jié)構(gòu)并不能有效地與鋰離子結(jié)合。

因此，他們制作了另外兩種表面化學(xué)性質(zhì)略有不同的碳納米管陽極，一種摻雜著豐富的可以與鋰離子結(jié)合的分子基團(tuán)，另一種具有相同的分子基團(tuán)，但數(shù)量較少。利用這些陽極，他們構(gòu)建了電池來測試形成樹枝狀的傾向。

正如預(yù)期的那樣，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅用碳納米管制成的支架不能很好地與鋰離子結(jié)合。因此，幾乎沒有樹枝狀的形成，但電池出現(xiàn)大電流的能力也受到影響。另一方面，具有過量結(jié)合分子的支架形成了許多樹枝狀，縮短了電池的壽命。

然而，具有最佳數(shù)量的結(jié)合分子的碳納米管陽極可以防止樹枝狀的形成。此外，大量的鋰離子可以沿著支架的表面結(jié)合和擴(kuò)散，從而提升電池出現(xiàn)大電流、持續(xù)電流的能力。

“當(dāng)結(jié)合分子基團(tuán)豐富時(shí)，由鋰離子制成的金屬鋰簇最終只會(huì)堵塞支架上的孔隙。”Noh說。“但當(dāng)我們有適量的這些結(jié)合分子時(shí)，我們可以在某些地方剛好‘解開’碳納米管支架，讓鋰離子通過并結(jié)合在支架的整個(gè)表面上，而不是堆積在陽極的外表面并形成樹枝狀。”

Noh表示，他們的優(yōu)秀性能陽極處理的電流是市售鋰離子電池的五倍。她指出，這一特點(diǎn)關(guān)于大型電池特別有用，例如電動(dòng)汽車中使用的電池，要快速充電。

“制造安全且壽命長的金屬鋰陽極是幾十年來的科學(xué)挑戰(zhàn)，”Noh說。“我們開發(fā)的陽極克服了這些障礙，是鋰金屬電池商業(yè)應(yīng)用的重要的一步。”

論文標(biāo)題為《UnderstandingofLithiumInsertioninto3DporousCarbonScaffoldswithHybridizedLithiophobicandLithiophilicSurfacesbyIn-OperandoStudy》。