“剪切增稠”电解质为锂离子电池保驾护航

将硅粉（蓝色容器中）加入到聚合物层（白色薄片）中，用于电池（金包）测试中分离电极，将有效防止锂离子电池起 火。

图片来源：Gabriel Veith

在普遍使用的电子消费产品中，锂离子电池因在损坏或包装不当时易爆裂而声名狼藉。这些事故偶尔也会造成严重后果，比如烧伤、房屋火 灾甚至是不仅一次的飞机失事。受到某些液体的异常特性的启发，研究人员已经开发出一种实用且廉价的方法来防止这些火 灾。

今年，他们将在美国化学学会（ACS）的第256次全国会议和博览会上展示他们的成果。

“在锂离子电池中，通常使用一块薄薄的塑料片将两个电极分开，”Gabriel Veith博士说：“一旦电池损坏，塑料层失效，两电极就会相互接触，致使电池中的液体电解质着 火。”

为了保证锂离子电池更安全，一些研究人员转而使用一种不易燃的固体电解质。但是，Veith说，这些固态电解质电池需要对当前的生产过程进行重大的改变。基于此顾虑，Veith的团队选择将一种添加剂加入到传统的电解液中，以制造出一种抗冲击的电解质。这种电解质会在受冲击时凝固，因而如果电池在坠落或碰撞中受损，将有效防止电极触碰。如果电极不相互接触，电池就不会着火。更重要的是，加入添加剂只需要对生产过程进行微小的调整。

此方法的灵感来自Veith和他的孩子们在玩玉米淀粉和水的混合游戏时。橡树岭国家实验室的首席研究员，也是该项目的首席研究员Veith说:“如果你把混合物放在一个饼干托盘上，它就像液体一样流动，直到你开始戳它，它就变成了固体。”当压力消除后，物质会再次液化。Veith意识到他可以利用这种可逆的“剪切增稠”行为来提高电池的安全性。

这种特性依赖于胶体，即悬浮在液体中的微小固体颗粒。在上述的实例中，胶体由悬浮在水中的玉米淀粉颗粒组成。对于电池胶体，Veith和他在橡树岭和罗切斯特大学的同事们使用了二氧化硅，将其悬浮在普通液体电解质中。他解释说，在撞击过程中，二氧化硅颗粒聚集在一起，阻挡液体和离子的流动。研究人员使用的颗粒是球形，一般为直径200纳米的硅粒子，或者是一种超细的沙子。Veith说：“如果颗粒大小非常均匀，这些粒子就会在电解质中均匀地分散开来，而且效果非常好。如果它们大小不均匀，那么液体在撞击时就会变得不那么粘稠，这种情况就会很糟糕。”

一些实验室一直在研究“剪切增稠”效应，以使电池更安全。先前一个研究小组报告了“烟熏”二氧化硅的实验，它由微小的不规则二氧化硅颗粒组成。另一个小组最近报告了使用杆状硅颗粒的效果。Veith认为，他的球形粒子可能比杆状硅粒子更容易制造，撞击时反应速度更快，而且比氧化硅更易阻止冲击。

Veith的主要进展之一涉及到电池的生产过程。在生产传统锂离子电池的过程中，在生产过程结束时，电解液会被喷射到电池盒中，然后密封电池。他说：“你不能用‘剪切增稠’的电解质来进行这一步，因为当你试着注入电解质的时候，它就会凝固。”因而研究人员在添加电解液之前将硅石放好，轻松的解决了这一问题。目前，他们正在为此技术申请专利。

在未来，Veith计划加强系统，使得在碰撞中受损的电池保持固态，而其余的电池将继续工作。该团队最初的目标是无人机电池得应用，但他们的最终目的是进入汽车市场。他们还计划制造一个能阻止子弹的电池，这可能会使士兵受益匪浅，士兵们在执行任务时通常要携带20磅的防弹衣和20磅的电池。Veith说“此电池可作为他们的装甲，这将使普通士兵减轻大约20磅的重量。”