根據密歇根州立大學(Michigan State University,MSU)的研究,對於擔心鋰離子電池(LIBs)安全性的消費者來說,未來可能會有更可靠的選擇。研究人員利用木材中天然存在的材料——木質素,開發出一種更安全且壽命更長的電池組件。
該團隊通過將木質素融入薄膜隔離器中,製作了一種能夠避免短路並降低電池火災風險的屏障,這些電池可用於電動車和智能手機等各種設備。
MSU 工程學院助理教授方成成表示:「我們驚訝地發現,木質素薄膜還改善了電池的循環壽命。我們將電池的循環壽命提高了 60%。」
木質素提升性能
隔離器在鋰離子電池中扮演著至關重要的角色,能防止內部短路,降低熱失控風險,並支持整體性能和壽命。然而,商業隔離器中常用的聚乙烯和聚丙烯塑料存在顯著缺陷,包括高熱收縮性、濕潤性差和有限的長期穩定性。
研究人員指出,這些弱點在電動車等高需求應用中尤其令人擔憂,因為過熱可能導致隔離器失效,從而使電池的正極和負極接觸,觸發短路、火災或爆炸。
與此相反,該團隊開發的基於木質素的隔離器在高達 300°C(572°F)的溫度下仍保持尺寸穩定。
根據研究摘要,「該隔離器使用木質素硫酸鹽製成,這是一種作為化學製漿和生物精煉過程的副產品而產生的天然聚合物。」
研究人員測試了不同厚度的木質素薄膜,發現厚度為 25 微米的薄膜——比人類頭髮的四分之一還要薄——在維持電池穩定性和可靠地防止正負極接觸方面最為有效。
可持續電池創新
使用基於木質素的薄膜顯著提高了鋰離子電池的性能和熱穩定性。該薄膜在內部穩定性方面的持久性表現出顯著優勢:循環壽命提高了 60%。由於其更長的使用壽命,這項技術特別適用於便攜設備和電動車等高要求應用。
除了性能,該研究還提供了一種可持續的製造優勢。該團隊通過乾燥加工技術製作木質素隔離器,這消除了傳統隔離器製造中通常使用的有害溶劑。這種方法在減少環境影響的同時,實現了可擴展的按需木質素薄膜生產。
該方法無廢物或排放,成功地將所有原材料——包括木質素和其他組件——轉化為可用薄膜。除了促進環保生產方法外,這種零廢物、環保的過程還利用了木質素硫酸鹽,這是一種天然存在且豐富的木質素形式,無需進一步加工即可有效用於電池。
綜合來看,這項創新為傳統電池隔離器提供了更安全、持久且生態友好的替代方案,對下一代能源存儲系統具有積極的影響。
研究摘要指出:「這種基於木質素的隔離器具有高熱穩定性、可製造性、電池性能和低成本,為開發針對高性能鋰離子電池的下一代單層功能隔離器提供了新的靈感。」該團隊的研究細節已發表在《先進材料》(Advanced Materials)期刊中。
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