人们对电池的要求并不高:在需要的时间内尽可能长时间地提供能量,充电速度快,不会突然起火,但是2016年的一系列手机电池起火事件动摇了消费者对锂离子电池的信心。自上世纪80年代推出以来,锂离子电池曾帮助引领现代便携式电子产品的发展,但是一直受到安全问题的困扰。随着人们对电动汽车兴趣越来越大,研究人员和业内人士都在寻找改进充电电池的技术,此类技术需要能够安全可靠地为汽车、自动驾驶汽车、机器人和其他下一代设备提供动力。

据外媒报道,美国康奈尔大学(Cornell University)的一项新研究改进了固态电池的设计。固态电池本质上比现有的锂离子电池更安全,能量密度也更高,锂离子电池依赖易燃液体电解质将存储在分子键中的化学能量快速转移至电能中。康奈尔大学研究人员将液体电解质转化为电化学电池内部的固体聚合物,利用了液体和固体的特性以克服当前影响电池设计的关键限制。

该研究的博士后研究员兼首席作者Qing Zhao表示:“可以想象一下一杯装满冰块的玻璃杯,有些冰块会接触到玻璃杯,但是也有缝隙。但是如果将玻璃杯装满水并且冰冻起来,界面就会被完全覆盖,玻璃杯内的冰块与水之间就可以建立起牢固的联系。在电池中利用同样的概念就可以促进离子在电池电极固体表面向电解质高速率转移,而不需要可燃液体。”

该方案的关键在于引入特殊分子,在不损害电池其他功能的情况下,在电化学电池内引发聚合。如果电解质是环醚,可设计引发剂,让其撕裂环,从而产生结合在一起的反应性单体链,以产生与醚的化学性质基本相同的长链状分子。此类坚固的聚合物在金属界面处保持了紧密连接,犹如玻璃杯中的冰块。

固态电解质除了有助于提高电池的安全性外,还有助于让下一代电池能够利用锂和铝等金属作为阳极,与当今最先进电池技术相比,可实现更大的能量存储。在此种情况下,固态电解质可以防止金属形成树突,从而导致电池短路、过热和故障。尽管固态电池优势明显,但是大规模量产遭受了阻碍。制造成本高,以前的设计导致的界面性能差,都造成了重大的技术障碍,此外,固态系统还能够稳定电池热变化,从而免去电池冷却的必要。

据研究人员所说,生产新型聚合物电解质的现场技术有望延长高能量密度可充电金属电池的循环寿命,提升充电能力。