重新设计的电流导体可提高锂离子电池的效率和安全性

斯坦福大学和SLAC的科学家重新设计了电流导体——用于将电流分布到电极和电极的薄金属箔——以使锂离子电池更轻、更安全、更高效。他们用涂有超薄铜（右上）的轻质聚合物层取代了全铜导体中间，并在聚合物层中嵌入了阻燃剂，以扑灭火焰（右下角）。来源：叶玉生/斯坦福大学

在电池当前的集热器中添加聚合物和防火功能，使其更轻、更安全，效率提高约 20%。

斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家在一种使锂离子电池更轻、更安全、更高效的全新方法中，重新设计了最重的电池部件之一——被称为电流收集器的铜片或铝箔片——因此它们的重量减轻80%，并立即扑灭任何燃起火焰。

研究人员说，如果这项技术被采用，可以解决电池研究的两个主要目标：扩大电动汽车的驾驶范围，减少笔记本电脑、手机和其他设备起火的危险。当电池充电速度超快时，这一点尤其重要，从而造成更多可能导致火灾的电池损坏类型。

研究小组于2020年10月15日在《自然能源》中描述了他们的工作。

领导这项研究的斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）研究员易翠（Yi Cui）表示：“目前的收集器一直被认为是死重量，直到现在，它还没有被成功利用来提高电池性能。

”但在我们的研究中，使收集器轻 80%可将锂离子电池的能量密度（在给定重量中可储存多少能量）增加 16-26%。与近年来平均增长3%相比，这一增幅很大。

与目前锂离子电池的收集器相比，斯坦福大学和SLAC科学家设计的新版本使电池更轻、更节能、更安全。它还可以通过用更便宜的聚合物取代铜和降低运输电池进行回收的成本来降低成本。来源：格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室

绝望地寻求减肥

无论是以气缸还是袋的形式，锂离子电池都有两个电流收集器，每个电极一个。它们分配电流流入或流出电极，占一些大功率或超薄电池重量的 15% 至 50%。剃光电池的重量本身是可取的，使更轻的设备，并减轻电动汽车的重量，必须四处移动;每个给定重量存储更多的能量，使设备和 EV 在充电之间运行时间更长。

崔说，通过降低回收电池的运输成本，减轻电池重量和易燃性也会对回收利用产生重大影响。

与访问学者周连阳一起进行实验的崔氏实验室博士后研究员叶玉生（Yusheng Ye）表示，电池行业的研究人员一直试图通过使目前的收集器变薄或多孔来减轻它们的重量，但这些尝试产生了不必要的副作用，例如使电池更脆弱或化学不稳定，或者需要更多的电解质，从而增加了成本。

至于安全问题，他说，“人们也尝试在电池电解质中加入阻燃剂，电解质是易燃部分，但只能在电池变得粘稠且不再很好地传导离子之前添加这么多。

在斯坦福大学和SLAC的一项研究中，用当今商业电流收集器（顶排）制造的锂离子电池在暴露在明火下时着火，并严重燃烧，直到所有的电解质被烧毁。新的阻燃收集器（下排）产生的电池产生微弱的火焰，在几秒钟内熄灭，并没有再次爆发，即使科学家试图重新点燃它们。来源：叶玉生/斯坦福大学

设计聚合物箔三明治

经过集思广益的问题，崔，叶和研究生刘雅源设计了实验，以一种叫做聚酰亚胺的轻质聚合物为基础制造并测试电流收集器，这种聚合物可抵抗火灾，经受快速电池充电造成的高温。阻燃剂-三苯基磷酸盐，或TPP-嵌入聚合物，然后涂在两个表面的超薄铜层。铜不仅可以分配电流，还可以保护聚合物及其阻燃剂。

叶说，与现在的版本相比，这些变化使当前收集器的重量减轻了80%，这意味着各种类型电池的能量密度增加了16-26%，而且它传导电流和普通收集器一样，不会降解。

叶说，当暴露在打火机的明火下时，用当今商业电流收集器制造的袋电池着火了，并严重燃烧，直到所有的电解质被烧毁。但是，在电池与新的阻燃收集器，火从来没有真正开始，产生非常微弱的火焰，在几秒钟内熄灭，并没有再次爆发，即使科学家试图重新点燃它。

崔说，这种方法的一大优点是，这种新收集器应该易于制造，而且更便宜，因为它用廉价的聚合物取代了部分铜。因此，扩大商业生产规模，他说，”应该非常可行。研究人员已经通过斯坦福大学申请了专利，崔说，他们将联系电池制造商，探讨这些可能性。