靖海

崔屹

坐飛機(jī)的時候，鋰離子電池是不能拖運(yùn)的;一些設(shè)計(jì)不佳的產(chǎn)品，例如三星Galaxy Note 7，連作為手提行李攜帶上機(jī)都不行;電動汽車自燃的事故更是頻頻見諸報端。鋰電池這么不安全，是因?yàn)樵诟邷?、碰撞等情況發(fā)生時，電池很容易自燃、甚至引發(fā)爆炸，對于航空、汽車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。常規(guī)鋰電池尚且如此，對于擁有高能量密度的下一代鋰離子電池——鋰金屬電池來說，其安全性則是更大的問題?？梢赃@么說，安全問題是困擾著鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一，也是許多科研團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)攻關(guān)的對象。

?電池在看火之后依然可以為畫面右上角的LED供電

近日，國際知名材料學(xué)家、《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”評委、斯坦福大學(xué)崔屹教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在鋰金屬電池安全領(lǐng)域取得了重大突破。他們研發(fā)出了一種可以防火的超輕型鋰金屬電池電解質(zhì)材料，用這種電解質(zhì)制成的電池不止擁有高能量密度和出色的電化學(xué)性能，還擁有了極高的安全性能：不僅不會自燃，還會在哪怕已經(jīng)著火的情況下繼續(xù)保持工作！這項(xiàng)成果為鋰金屬電池安全性的研究指出了全新的方向。

不論是手機(jī)、電腦，還是電動汽車、儲能電站，我們的日常生活和人類控制氣候變化的努力都離不開鋰離子電池。而鋰離子電池研究最重要的方向之一，就是提高它的能量密度，也就是單位質(zhì)量鋰電池所能攜帶的電能。對于手機(jī)來說，高能量密度意味著更長的續(xù)航時間，而對于電動汽車來說則意味著續(xù)航里程。提高鋰離子電池能量密度最重要的技術(shù)路線之一，是使用鋰金屬、而不是鋰元素的化合物來作為鋰電池的電極。由此制成的鋰金屬電池，能量密度可以達(dá)到現(xiàn)有電池的好幾倍，被認(rèn)為是下一代高能量密度可充電電池的“圣杯”。但鋰金屬電池有一個很大的問題——它很不安全。

一塊鋰電池的結(jié)構(gòu)，可以被理解成是一個“三明治”，夾在中間的是負(fù)責(zé)傳遞鋰離子的電解質(zhì)/隔膜，電池的電解質(zhì)。有一定機(jī)械強(qiáng)度的固態(tài)電解質(zhì)擁有“堅(jiān)硬”的表面，可以壓制鋰枝晶的生長，從而保障電池的安全。

鋰枝晶

然而，現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)卻各有各的問題：有的太厚，會導(dǎo)致電池的能量密度下降;有的可燃，導(dǎo)致安全性不佳;有的太軟，無法壓制鋰枝晶的生長……總之，并沒有一款電解質(zhì)可以同時滿足鋰金屬電池的高性能和安全需要。而崔屹團(tuán)隊(duì)提出的這種電解質(zhì)材料，是第一種可以同時做到防火、超薄、又電化學(xué)性能優(yōu)良的固態(tài)電解質(zhì)材料。這個材料的秘訣在于，它結(jié)合了三類材料各自的優(yōu)勢。

首先，是多孔的聚酰亞胺（Polyimide，PI）。這是一種應(yīng)用廣泛的工程材料。它具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，可以對鋰枝晶的生長進(jìn)行壓制;熔點(diǎn)也很高，能做到在不而位于上下兩端的是負(fù)責(zé)傳遞電流的電極。在高電流或者多次循環(huán)之后，鋰金屬電極的表面會長出一種叫做鋰枝晶的東西。鋰枝晶本來是鋰金屬反復(fù)沉淀、析出的結(jié)果，但隨著它的生長，它會刺穿電池正極負(fù)極之間的電解質(zhì)/隔膜，讓電池的正極負(fù)極直接連在一起，造成短路，進(jìn)而引發(fā)電池的熱失控，造成起火、爆炸等情況的出現(xiàn)。為了解決這個問題，科學(xué)家們想出了很多思路。其中的一條是使用固態(tài)材料，而不是目前主流商業(yè)鋰離子電池采用的液態(tài)材料，來用作太劇烈的燃燒發(fā)生的時候不至于熔化，從而降低短路的風(fēng)險;而且，這種材料還可以做得很薄（只有10微米～25微米），還超輕，從而顯著提高電池的能量密度。其次，是十溴二苯乙烷（DBDPE）。這是一種阻燃材料，將這種材料添加到聚酰亞胺（PI）里，可以防止電解質(zhì)起火燃燒。第三，是聚氧化乙烯（PEO）和雙三氟甲基磺酰氨基鋰（LiTFSI）。這兩種材料導(dǎo)電性優(yōu)異、低成本、重量輕，是獲得了廣泛研究的聚合物電解質(zhì)材料，也是目前許多鋰金屬電池選擇的固態(tài)電解質(zhì)材料。將這兩種材料添加到新型電解質(zhì)中，讓電解質(zhì)擁有了非常好的電化學(xué)性能。

由高機(jī)械強(qiáng)度的聚酰亞胺（Polyimide，PI，虛線圖中黃色部分）、阻燃劑十溴二苯乙烷（DBDPE，虛線圖中橙色部分）和高導(dǎo)電性的聚氧化乙烯（PEO）、雙三氟甲基磺酰氨基鋰（LiTFSI，虛線圖中灰色部分）構(gòu)成的新型固態(tài)電解質(zhì)

經(jīng)過測試，他們發(fā)現(xiàn)，3種材料的性能都在這種復(fù)合材料中得到了完美的體現(xiàn)。首先，機(jī)械強(qiáng)度。新型電解質(zhì)材料的機(jī)械強(qiáng)度，比由聚氧化乙烯（PEO）和雙三氟甲基磺酰氨基鋰（LiTFSI）構(gòu)成的常規(guī)電解質(zhì)材料高出了4個數(shù)量級，顯著提高了電解質(zhì)壓制鋰枝晶的能力。經(jīng)過60攝氏度下300小時的測試，這種高強(qiáng)度的電解質(zhì)材料依然可以非常好地壓制鋰枝晶的生長。其次，阻燃。常規(guī)PEO/LiTFSI電解質(zhì)材料可以輕易點(diǎn)燃，但從上圖中可以看到，添加了阻燃劑DBDPE的新型材料，在點(diǎn)著之后的2秒鐘內(nèi)火焰就自行熄滅了，表現(xiàn)出了優(yōu)異的防火性能。第三，導(dǎo)電和循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)過300次循環(huán)之后，新型電解質(zhì)材料依然維持了很高的倍率（1C下131 mAh gl），而作為對照的常規(guī)PEOlLiTFSI電解質(zhì)，倍率明顯要更低，循環(huán)性能也不穩(wěn)定。

點(diǎn)燃兩秒之后火焰就自行熄滅了

于是，由這三類材料結(jié)合而成的全新固態(tài)電解質(zhì)，便同時擁有了防火、超薄、導(dǎo)電的優(yōu)良性能。在更加嚴(yán)苛的全電池點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)電池早就燒著、變形、“棄療”了，但新型電解質(zhì)制成的電池，哪怕被火焰包裹，卻依然可以為LED燈供電。之后，火焰還能自行熄滅。

通常情況下，鋰電池過熱就有可能導(dǎo)致爆炸，別說繼續(xù)工作了，不引發(fā)火災(zāi)就算不錯了。這種新型電池不僅著火了還能工作，之后還能自行滅火，對于鋰電池來說是非常難得的事情。

目前，鋰電池的安全性得到了越來越多人的關(guān)注。前不久，電池巨頭比亞迪發(fā)布的全新“刀片電池”，主打的概念之一就是高安全性。各家電池廠商也都摩拳擦掌，希望在鋰電池安全領(lǐng)域拿出自己的方案。崔屹團(tuán)隊(duì)的這個新突破雖然尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，但標(biāo)志著鋰金屬電池已經(jīng)可以在擁有高能量密度的同時，兼具極高的安全性。這為鋰電池研究提供了全新的方向。（摘自美<深科技》）（編輯/萊西）