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用“太空潤滑劑”能解決鋰電池易燃特性嗎?

鉅大LARGE  |  點擊量:1036次  |  2018年11月25日  

那些不看好電動汽車的人,常為其冠以“移動炸彈”這樣的稱號。的確,電動汽車搭載的動力電池大多都是鋰離子電池,其熱穩定性較差,如果沒有良好的電控系統,那將成為道路上極大的安全隱患。除了電動汽車以外,消費電子產品所使用的鋰電池同樣有易燃特性,雖然出廠前已經過安全檢測,但諸如手機電池爆炸之類的新聞還是經常見諸報端。


近日,來自美國北卡羅來納大學教堂山分校(UNCChapelHill)的研究人員,在試驗一種叫做全氟聚醚(Perfluoropolyether)的聚合物時,發現該物質能夠與鋰鹽溶解,這意味著可以在電池中實現導電的特性。研究人員DominicaWong解釋:“大多數的聚合物不會與鹽類溶解,但這種物質可以。”最關鍵的是,它沒有易燃性。


全氟聚醚,簡稱PFPE,是一種常溫下呈液體的聚合物,幾十年來都被用作太空機械元件的潤滑劑,具有極好的熱、氧化穩定性。為什么說PEPE聚合物能夠大大提高鋰電池的熱穩定性呢?這得先來簡單了解下鋰電池的放電原理,即鋰離子從負極移向正極。然而手機、筆記本以及電動汽車上的電池除了放電還要進行充電,所以還需要電解質才行。在鋰電池中,電解質一般都是富離子的聚酸二乙酯(DMC)。


鋰電池之所以不穩定,原因就在于DMC,這種物質即便在常溫下也易燃。研究小組的負責人JosephDeSimone直接表示:“它們(DMC)就是汽油的近親。”所以,電動汽車在遭受撞擊時,即便起火點不在電池,那么電池也很容易被引燃,從而讓整臺車成為一個“反應堆”。所以,如果能讓PFPE代替DMC成為電解質,理論上電池的穩定性會大大提高。事實上,DeSimone的團隊確實做到了。他們把PEPE與DMC進行了融合,共同作為鋰電池的電解質,發現不僅電池的熱穩定性大大提高,同時導電效率也大大提升。


例如,TeslaModelS所采用的18650電池的離子遷移數一般為0.2,而以PFPE做電解質的電池在這個指標上則可以達到0.91。簡單說明下這其中的道理:離子遷移數是衡量電解質性能的參數之一,該數值越接近1.0,說明鋰電池的比能量和比功率越高。總之,0.91對比0.2,說明PEPE做電解質的鋰電池在導電效率上是近乎完美的。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

DeSimone還特意拿鋰-空氣電池來說明問題。作為鋰離子電池中能量密度最高的一種電池,鋰-空氣電池有一個瑕疵就是普通電解質與氧氣并不兼容,而PFPE很有可能幫助解決這一問題。這樣一來,能量密度與汽油同一水平的鋰-空氣電池離它的實用化將更進一步。關于這種電池的技術原理,讀者可以參照我們之前的一篇文章(點擊文末左下角閱讀原文)。


那么PFPE電解質的電池在熱穩定性上究竟有怎樣的表現呢?研究人員對其進行的測試表明:這種電池能夠承受-90℃至200℃的溫度區間。對于電動汽車的動力電池來說,這樣的表現綽綽有余。而一般的鋰離子電池的溫度承受范圍是-20℃至60℃,并且隨著溫度過低、過高,其導電能力會大打折扣。


雖然離商用還有很長一段距離,但PFPE電解質電池至少向我們證明了一點:電動汽車的電池熱穩定性和導電性能,是可以完全可以找到解決方案的。

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