斯坦福大学和SLAC的科学家重新设计了电流导体，即在电极之间分配电流的薄金属箔，以使锂离子电池更轻、更安全、更高效。他们用一层涂有超薄铜的轻质聚合物（右上）取代了中间的全铜导体，并在聚合物层中嵌入阻燃剂以熄灭火焰（右下）。资料来源：Yusheng Ye/斯坦福大学
在电池集电器中添加聚合物和防火材料，使其更轻、更安全，效率提高约20%。
斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们采用了一种全新的方法来制造更轻、更安全、更高效的锂离子电池，他们重新设计了最重的电池组件之一——被称为集电器的铜箔或铝箔片——使其重量减轻80%，并立即扑灭任何突发的火灾。
研究人员表示，如果被采用，这项技术可以实现电池研究的两个主要目标：扩大电动汽车的续航里程，减少笔记本电脑、手机和其他设备起火的危险。当电池充电速度极快时，这一点尤为重要，会造成更多类型的电池损坏，从而导致火灾。
研究小组于2020年10月15日在《自然能源》杂志上描述了他们的工作。
领导这项研究的SLAC和斯坦福大学教授、斯坦福材料与能源科学研究所研究员Yi Cui说：“集电器一直被认为是自重，到目前为止，它还没有被成功地用于提高电池性能。”。
“但在我们的研究中，将收集器轻80%，锂离子电池的能量密度（在给定重量下可以储存多少能量）提高了16-26%。与近年来平均3%的增长相比，这是一个巨大的飞跃。”
与当今锂离子电池中的集电器相比，斯坦福大学和SLAC科学家设计的一种新版本使电池更轻、更节能、更安全。它还可以通过用更便宜的聚合物取代铜，并降低运输电池进行回收的成本来降低成本。资料来源：Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室
拼命寻求减肥
无论是圆柱形还是袋装，锂离子电池都有两个集电器，每个电极一个。它们分布流入或流出电极的电流，占一些大功率或超薄电池重量的15%至50%。减少电池重量本身就是可取的，可以实现更轻的设备，并减少电动汽车的重量；每给定重量存储更多的能量可以使设备和电动汽车在充电之间保持更长的时间。
崔说，通过降低回收电池的运输成本，减少电池重量和可燃性也可能对回收产生重大影响。
电池行业的研究人员一直试图通过使集电器更薄或更多孔来减轻集电器的重量，但这些尝试产生了不必要的副作用，例如使电池更脆弱或化学不稳定，或者需要更多的电解质，这会增加成本，叶玉生说，崔的实验室的博士后研究员，他与访问学者连扬周一起进行了实验。
至于安全问题，他说，“人们也尝试在电池电解液中添加阻燃剂，这是易燃的部分，但在电解液变得粘稠且不再能很好地传导离子之前，你只能添加这么多。”
在斯坦福大学和SLAC的一项研究中，用今天的商业集电器（上排）制成的锂离子袋电池在暴露于明火时起火，并剧烈燃烧，直到所有电解质都被烧掉。带有新型阻燃收集器的电池（最下面一排）产生的微弱火焰在几秒钟内熄灭，即使科学家试图重新点燃，也不会再次燃烧。资料来源：Yusheng Ye/斯坦福大学
设计聚合物箔三明治
在集思广益后，崔、叶和研究生刘亚元设计了实验，用于制造和测试基于一种名为聚酰亚胺的轻质聚合物的集电器，这种聚合物可以防火，并能承受电池快速充电产生的高温。将阻燃剂磷酸三苯酯（TPP）嵌入聚合物中，然后在聚合物的两面涂上一层超薄铜。铜不仅能起到分配电流的作用，还能保护聚合物及其阻燃剂。
Ye说，与今天的版本相比，这些变化使集电器的重量减少了80%，这意味着各种类型的电池的能量密度增加了16-26%，而且它的导电性与普通集电器一样好，没有退化。
Ye说，当暴露在打火机的明火下时，用当今商业集电器制成的袋装电池会起火并剧烈燃烧，直到所有电解质都被烧掉。但在使用新型阻燃收集器的电池中，火灾从未真正发生过，产生了非常微弱的火焰，在几秒钟内熄灭，即使科学家试图重新点燃，也没有再次燃烧。
崔说，这种方法的一大优势是，新的收集器应该易于制造，也更便宜，因为它用廉价的聚合物代替了一些铜。因此，他说，将其扩大到商业生产“应该是非常可行的。”研究人员已经通过斯坦福大学申请了专利，崔说他们将联系电池制造商，探索可能性。
参考资料：“用于高能和高安全性锂离子电池的超轻型和灭火集电器”，作者：Yusheng Ye、Lien Yang Chou、Yayuan Liu、Hansen Wang、Hiang Kwee Lee、Wenxiao Huang、Jiayu Wan、Kai Liu、Guangmin Zhou、Yufei Yang、Ankun Yang、Xin Xiao、Xin Gao、David Thomas Boyle、Hao Chen、Wenbo Zhang、Sang Cheol Kim和Yi Cui，2020年10月15日，自然能源。
DOI:10.1038/s41560-020-00702-8
这项工作得到了能源部能源效率和可再生能源办公室、汽车技术办公室在锂离子电池极限快速充电电池评估（XCEL）计划下的支持。
