熱失控實(shí)驗(yàn)示意圖

隨著微型電子設(shè)備和電動(dòng)汽車等行業(yè)的快速發(fā)展，高能量密度和高輸出功率電池應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一方面，這些電池可能在高溫狀態(tài)下工作，另一方面，這些電池在快速充電/放電過(guò)程中，自身會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，高溫下的工作狀況會(huì)使電池性能出現(xiàn)永久性下降，極端情況下還會(huì)引起火災(zāi)和爆炸。

面對(duì)這些問(wèn)題，高能量密度和高功率的電池?zé)峁芾恚蔀殡姵貙?shí)際應(yīng)用中亟須攻關(guān)的重點(diǎn)方向。近日，南洋理工大學(xué)教授范紅金團(tuán)隊(duì)和武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院研究員劉抗團(tuán)隊(duì)合作，從電池自身設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，結(jié)合發(fā)汗冷卻機(jī)理，開發(fā)出一種基于智能吸濕性水凝膠電解質(zhì)的熱自保護(hù)鋅離子電池。相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》。

研究顯示，當(dāng)電池處于高溫工作狀態(tài)時(shí)，水凝膠中的水分會(huì)快速蒸發(fā)，凝膠電解質(zhì)的離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低，從而抑制離子在正極和負(fù)極之間的遷移，電池的容量逐漸減小直至電池停止工作，從而達(dá)到自我保護(hù)的目的。當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，水凝膠電解質(zhì)從空氣中自發(fā)吸收水分恢復(fù)到初始狀態(tài)。

據(jù)介紹，熱自保護(hù)鋅離子電池的陽(yáng)極為鋅泡沫，陰極為MnO2/碳布纖維，介于陰陽(yáng)極之間的吸濕性水凝膠作為電解質(zhì)和隔膜，由ZnCl2溶液浸泡過(guò)的聚丙烯酰胺水凝膠電解質(zhì)組成，可通過(guò)ZnCl2溶液濃度調(diào)節(jié)其飽和蒸氣壓。

在25℃時(shí)，水凝膠的飽和蒸氣壓接近于環(huán)境中的水蒸氣分壓，水凝膠與周圍環(huán)境之間的水分平衡，凝膠質(zhì)量可在10天內(nèi)幾乎保持不變。此外，高溫可以破壞這種濕度平衡。當(dāng)溫度升高到50℃時(shí)，水凝膠迅速失水;當(dāng)溫度恢復(fù)到25℃，水凝膠從環(huán)境中吸水自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。在高溫下，由于熱效應(yīng)，凝膠的離子擴(kuò)散系數(shù)會(huì)有一段時(shí)間的升高;隨著高溫的持續(xù)，離子擴(kuò)散系數(shù)最終會(huì)明顯降低。

為了演示電池的熱自保護(hù)功能，作者還使用加熱片來(lái)模擬高溫環(huán)境。當(dāng)加熱器設(shè)置為70℃時(shí)，MnO2陰極的溫度為50.5℃，電池表面溫度遠(yuǎn)低于加熱片溫度。水凝膠電解質(zhì)中的水通過(guò)多孔MnO2電極蒸發(fā)帶走部分熱量實(shí)現(xiàn)了自發(fā)冷卻功能。當(dāng)電池突然暴露在高溫環(huán)境下時(shí)，隨著離子擴(kuò)散系數(shù)的增加，電池容量會(huì)有略微提升。但是如果電池長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫環(huán)境下，電池容量逐漸減小直至停止工作。當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，水凝膠電解質(zhì)從空氣中自發(fā)吸收水分，在3小時(shí)后電池逐漸恢復(fù)工作，且容量與初始狀態(tài)幾乎相同。

值得注意的是，凝膠電解質(zhì)的聚合物骨架不是唯一的，作者還嘗試用化學(xué)交聯(lián)方法制備的聚乙烯醇水凝膠作為電解質(zhì)，同樣可以實(shí)現(xiàn)鋅離子電池的熱自保護(hù)功能。這證明，智能吸濕性水凝膠電解質(zhì)可以作為電池?zé)嶙晕冶Ｗo(hù)的一種通用策略。這種結(jié)構(gòu)為當(dāng)前高能量密度和高輸出功率電池的設(shè)計(jì)提供全新的熱保護(hù)思路，在微型電子設(shè)備和電動(dòng)汽車電池?zé)嵩O(shè)計(jì)領(lǐng)域具有較大的潛力。

相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1002/aenm.202002898