斯坦福大學(xué)和SLAC的科學(xué)家重新設(shè)計(jì)了電流導(dǎo)體——用于將電流分布到電極和電極的薄金屬箔——以使鋰離子電池更輕、更安全、更高效。他們用涂有超薄銅（右上）的輕質(zhì)聚合物層取代了全銅導(dǎo)體中間，并在聚合物層中嵌入了阻燃劑，以撲滅火焰（右下角）。來(lái)源：葉玉生/斯坦福大學(xué)

在電池當(dāng)前的集熱器中添加聚合物和防火功能，使其更輕、更安全，效率提高約 20%。

斯坦福大學(xué)和能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在一種使鋰離子電池更輕、更安全、更高效的全新方法中，重新設(shè)計(jì)了最重的電池部件之一——被稱(chēng)為電流收集器的銅片或鋁箔片——因此它們的重量減輕80%，并立即撲滅任何燃起火焰。

研究人員說(shuō)，如果這項(xiàng)技術(shù)被采用，可以解決電池研究的兩個(gè)主要目標(biāo)：擴(kuò)大電動(dòng)汽車(chē)的駕駛范圍，減少筆記本電腦、手機(jī)和其他設(shè)備起火的危險(xiǎn)。當(dāng)電池充電速度超快時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要，從而造成更多可能導(dǎo)致火災(zāi)的電池?fù)p壞類(lèi)型。

研究小組于2020年10月15日在《自然能源》中描述了他們的工作。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所（SIMES）研究員易翠（Yi Cui）表示：“目前的收集器一直被認(rèn)為是死重量，直到現(xiàn)在，它還沒(méi)有被成功利用來(lái)提高電池性能。

”但在我們的研究中，使收集器輕 80%可將鋰離子電池的能量密度（在給定重量中可儲(chǔ)存多少能量）增加 16-26%。與近年來(lái)平均增長(zhǎng)3%相比，這一增幅很大。

與目前鋰離子電池的收集器相比，斯坦福大學(xué)和SLAC科學(xué)家設(shè)計(jì)的新版本使電池更輕、更節(jié)能、更安全。它還可以通過(guò)用更便宜的聚合物取代銅和降低運(yùn)輸電池進(jìn)行回收的成本來(lái)降低成本。來(lái)源：格雷格·斯圖爾特/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

絕望地尋求減肥

無(wú)論是以氣缸還是袋的形式，鋰離子電池都有兩個(gè)電流收集器，每個(gè)電極一個(gè)。它們分配電流流入或流出電極，占一些大功率或超薄電池重量的 15% 至 50%。剃光電池的重量本身是可取的，使更輕的設(shè)備，并減輕電動(dòng)汽車(chē)的重量，必須四處移動(dòng);每個(gè)給定重量存儲(chǔ)更多的能量，使設(shè)備和 EV 在充電之間運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。

崔說(shuō)，通過(guò)降低回收電池的運(yùn)輸成本，減輕電池重量和易燃性也會(huì)對(duì)回收利用產(chǎn)生重大影響。

與訪問(wèn)學(xué)者周連陽(yáng)一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的崔氏實(shí)驗(yàn)室博士后研究員葉玉生（Yusheng Ye）表示，電池行業(yè)的研究人員一直試圖通過(guò)使目前的收集器變薄或多孔來(lái)減輕它們的重量，但這些嘗試產(chǎn)生了不必要的副作用，例如使電池更脆弱或化學(xué)不穩(wěn)定，或者需要更多的電解質(zhì)，從而增加了成本。

至于安全問(wèn)題，他說(shuō)，“人們也嘗試在電池電解質(zhì)中加入阻燃劑，電解質(zhì)是易燃部分，但只能在電池變得粘稠且不再很好地傳導(dǎo)離子之前添加這么多。

在斯坦福大學(xué)和SLAC的一項(xiàng)研究中，用當(dāng)今商業(yè)電流收集器（頂排）制造的鋰離子電池在暴露在明火下時(shí)著火，并嚴(yán)重燃燒，直到所有的電解質(zhì)被燒毀。新的阻燃收集器（下排）產(chǎn)生的電池產(chǎn)生微弱的火焰，在幾秒鐘內(nèi)熄滅，并沒(méi)有再次爆發(fā)，即使科學(xué)家試圖重新點(diǎn)燃它們。來(lái)源：葉玉生/斯坦福大學(xué)

設(shè)計(jì)聚合物箔三明治

經(jīng)過(guò)集思廣益的問(wèn)題，崔，葉和研究生劉雅源設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，以一種叫做聚酰亞胺的輕質(zhì)聚合物為基礎(chǔ)制造并測(cè)試電流收集器，這種聚合物可抵抗火災(zāi)，經(jīng)受快速電池充電造成的高溫。阻燃劑-三苯基磷酸鹽，或TPP-嵌入聚合物，然后涂在兩個(gè)表面的超薄銅層。銅不僅可以分配電流，還可以保護(hù)聚合物及其阻燃劑。

葉說(shuō)，與現(xiàn)在的版本相比，這些變化使當(dāng)前收集器的重量減輕了80%，這意味著各種類(lèi)型電池的能量密度增加了16-26%，而且它傳導(dǎo)電流和普通收集器一樣，不會(huì)降解。

葉說(shuō)，當(dāng)暴露在打火機(jī)的明火下時(shí)，用當(dāng)今商業(yè)電流收集器制造的袋電池著火了，并嚴(yán)重燃燒，直到所有的電解質(zhì)被燒毀。但是，在電池與新的阻燃收集器，火從來(lái)沒(méi)有真正開(kāi)始，產(chǎn)生非常微弱的火焰，在幾秒鐘內(nèi)熄滅，并沒(méi)有再次爆發(fā)，即使科學(xué)家試圖重新點(diǎn)燃它。

崔說(shuō)，這種方法的一大優(yōu)點(diǎn)是，這種新收集器應(yīng)該易于制造，而且更便宜，因?yàn)樗昧畠r(jià)的聚合物取代了部分銅。因此，擴(kuò)大商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，他說(shuō)，”應(yīng)該非常可行。研究人員已經(jīng)通過(guò)斯坦福大學(xué)申請(qǐng)了專(zhuān)利，崔說(shuō)，他們將聯(lián)系電池制造商，探討這些可能性。