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用材料构筑安全防线,让锂离子电池摆脱着火命运

作者:中国储能电站网 来源:DeepTech深科技 时间:2020-02-12 浏览:

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下创新35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域方面坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

刘凯凭借其在锂离子电池领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:32 岁

获奖时职位:清华大学助理教授获奖理由:他从事高安全性锂离子电池的科研工作,系统研究了锂离子电池的热失控机理,在材料层面提出了提高锂离子安全性的一系列新方法。

锂离子电池是电动汽车、便携式设备、能源储存等领域最重要的技术之一。可以说,没有锂离子电池,就没有移动的智能生活,人类应对气候变化的努力也将缺少一个重要的帮手。

然而,从锂离子电池技术诞生之日起,它的头上就一直笼罩着一层挥之不去的“阴影”——安全性。不论是被各大航空公司拒绝的三星 note 7,还是时常听闻的电动汽车自燃事故,这背后反映出的都是同一个问题:锂离子电池太容易热失控了。

清华大学化学工程系助理教授刘凯,从事的就是高安全性锂离子电池的科研工作。他在材料层面提出了提高锂离子安全性的一系列新方法,有望使电动汽车、手机等摆脱着火的命运。

刘凯本科就读于吉林大学化学学院。这里氛围踏实、培养系统、教学严格,是很多顶尖化学人才的摇篮。之后,他进入清华大学化学系攻读博士学位,并斩获了清华大学的最高荣誉——每年仅在全校范围内奖励 10 名研究生的清华大学特等奖学金。

博士毕业后,刘凯赴美国斯坦福大学开展博士后研究工作。刘凯回忆道,斯坦福是一个十分多元开放的地方。学校内部不同科系之间的界限很不明显,电子、机械、材料、化学、物理的人都在同一个楼里做实验,连吃饭交流的时候都会产生很多交叉的想法。而实验室里更是什么背景的人都有,不管遇到什么问题,都能找到专家去问。他在锂离子电池安全领域的创新,也正是得益于这种“任何思路都不受限制”的环境。

在博士期间,刘凯的研究方向是超分子材料。这是一种基于分子间的超分子作用自组装形成的材料,具有动态响应、自我修复等特殊的优异性能。但对于博士后期间要研究的锂离子电池,其实一开始他并不熟悉。可他却把自己在超分子材料方面的知识,引入到了锂离子电池的研究之中,在本质上大幅提高了锂离子电池的安全性。

他首先深入系统地分析了锂离子电池出现热失控的机理,并把它分成了“萌芽”“蔓延”“爆发”三个阶段。以锂离子电池安全最大的威胁之一——锂枝晶生长为例:在低温充电、快速充电等情况下,电极材料上会生长出树枝状的金属锂枝晶,这便是锂离子电池热失控的“萌芽”阶段。之后,在“蔓延”阶段,锂枝晶会逐渐刺破正负电极之间起绝缘作用的薄膜,进而在“爆发”阶段造成电池的内短路、起火和爆炸。

针对三个阶段各自不同的特征,刘凯设计出了不同的材料,构建出防止锂离子电池热失控的“三道防线”。

在 “萌芽”阶段,刘凯引入了动态超分子作为锂金属电极的“智能反馈”涂层。他将一层厚度仅约 1 微米的含有硼酸酯动态共价键的高分子,涂在了锂金属的表面。这个涂层本来是软的,但当锂枝晶生长起来、戳到涂层后,会激发出硼酸酯动态共价键的“剪切增稠性质”,让涂层变硬,把生成的锂枝晶“按”下去。刘凯发现,这种智能涂层可以有效抑制锂枝晶的产生,而副作用却很少。

如果锂枝晶突破了第一道防线,刺入了隔膜,电池的热失控就进入了“蔓延”阶段,刘凯的第二道防线就要起作用了。他提出了一种名叫“反应-保护”型隔膜的新机理,在隔膜上面加了一些化学物质,可以把进入隔膜的具有高化学活性的锂金属“吃掉”。这种利用化学淬灭减缓锂枝晶生长速率的方式,将锂金属负极的使用寿命延长了 5 倍。

最后在“爆发”阶段,他还构建了第三道防线——具有热刺激响应功能的“分子灭火器“。为防止电池燃烧,常用的方法是在易燃的电解液中添加防火剂,但防火剂会大大降低电池在正常运行时的电化学性能。而刘凯想到的解决方案,是把防火剂装进用电化学惰性、熔点低的含氟共聚物制成的微型外壳之中。正常充放电时,高分子外壳能够阻隔防火剂与电解液接触,减小防火剂对电池性能的负面影响;而当电池发生热失控导致温度升高时,外壳则会受热熔化,像灭火器一样把防火剂喷出来,释放到电解液中,起到抑制燃烧的作用。在不影响锂离子电池性能的前提下,他将电解液自熄灭的时间缩短了近 30 倍。这种思路让锂离子电池同时兼具高电化学性能和良好的安全性成为了可能。

刘凯表示,影响锂离子电池安全性的因素非常多,自己只是提供了一个框架和思路,将来肯定还有很多可以做的。“科研是我们报效祖国的方式。希望世界能因为我们的研究成果而发生一些好的改变,这是科研工作者的使命。”  

关键字:锂电池

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