安全電池：內(nèi)置熱響應(yīng)高分子開關(guān)材料

劉楠(北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京100088)

安全電池：內(nèi)置熱響應(yīng)高分子開關(guān)材料

劉楠
(北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京100088)

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安全電池長期以來備受關(guān)注。人們在追求高質(zhì)量、經(jīng)久耐用電池的同時(shí)，也希望能夠提升電池的安全系數(shù)，對高溫、漏電等進(jìn)行快速響應(yīng)。主要的方法有：在電池中增加分隔膜、熱擋板或利用非易燃的固態(tài)電解質(zhì)1,2。這些或者對電池性能產(chǎn)生極大的影響，或者電池受損不能可逆控制電池的安全運(yùn)行。

斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和崔屹教授課題組最近開發(fā)出一種新型熱響應(yīng)高分子復(fù)合材料3，它用于鋰離子電池集流體時(shí)，可以智能的控制電池的工作溫度，并且不影響電池的充放電性能，使得電池更安全可靠。此研究成果發(fā)表在最近的Nature Energy雜志上。

這種快速熱響應(yīng)的高分子材料(簡稱TRPS)主要由兩部分組成：導(dǎo)電的填充物和熱膨脹系數(shù)高的高分子基體。室溫下TRPS的電導(dǎo)率可以高達(dá)50 S?cm－1，將它用于電池的集流體時(shí)，當(dāng)溫度升高，高分子基體膨脹，導(dǎo)電填充物彼此分離，超過一定程度時(shí)，電阻會驟然升高，電池自動斷電；低于一定溫度時(shí)，TRPS可以再次恢復(fù)高電導(dǎo)率，電池性能不受影響。

這種TPRS之所以可以用于實(shí)現(xiàn)安全電池，主要受益于導(dǎo)電填充物的設(shè)計(jì)。它是納米尺寸的“鋸齒片”堆垛成的金屬鎳顆粒，這一表面結(jié)構(gòu)提供了許多局域電場，構(gòu)成了量子隧道效應(yīng)，使得很小含量的填充物即可得到高導(dǎo)電率的復(fù)合高分子材料。另外，金屬鎳顆粒在有機(jī)溶劑中超聲分散時(shí)，通過堿的輔助，有機(jī)溶劑分解，吸附在鎳的外表面，經(jīng)過熱處理后形成很薄(約10 nm)的致密惰性的石墨層，有效的阻止了電池反應(yīng)中鎳的陽極氧化。

這種TPRS用于安全電池，相對于其他方法來監(jiān)測控制電池的安全運(yùn)行，最顯著的優(yōu)勢就是快速響應(yīng)、無損恢復(fù)。具體來說就是，內(nèi)置的TPRS在電池到達(dá)某一臨界溫度是，電阻會躍遷至原來的107－108倍，使得電池停止工作；當(dāng)它降回到臨界溫度以下時(shí)，會恢復(fù)原來的電導(dǎo)，電池繼續(xù)工作。轉(zhuǎn)變溫度可以由填充物和高分子基體的比例、種類進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。正是由于TRPS的電阻在不同溫度下迅速可逆的變化，由它控制的電池也可以迅速開關(guān)，并且性能恒定。TPRS的這一巧妙應(yīng)用，第一次實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)、斷電后可無損恢復(fù)運(yùn)行的電池，拓寬了安全電池的控制方法。

References

(1)Balakrishnan,P.G.;Ramesh,R.;Kumar,T.P.J.Power Sources 2006,155,401.doi:10.1016/j.jpowsour.2005.12.002

(2)Zhang,S.S.J.Power Sources 2007,164,351.doi:10.1016/j. jpowsour.2006.10.065

(3)Chen,Z.;Hsu,P.C.;Lopez,J.;Li,Y.;To,J.W.F.;Liu,N.; Wang,C.;Andrews,S.C.;Liu,J.;Cui,Y.;Bao,Z.Nature Energy 2016,Article number:15009.doi:10.1038/ nenergy.2015.9

10.3866/PKU.WHXB201602261