研究人员重新设计电池集电器使重量减轻80%效率提高20%

斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的科学家们采用一种全新方法来使锂离子电池更轻,更安全,更高效,重新设计了最重的电池组件之一-被称为集电器的铜或铝箔片-因此它们的重量减轻了80%。

斯坦福大学重新设计电池集电器,使其更轻更安全且效率提高约20%
斯坦福大学和SLAC的科学家重新设计了集电器,以使锂离子电池更轻,更安全,更高效。他们用涂有超薄铜的轻质聚合物层(右上)替换了中间层的全铜导体,并在聚合物层中嵌入了阻燃剂

研究人员说,如果采用这项技术可以解决电池研究的两个主要目标:扩大电动汽车的行驶范围,并减少笔记本电脑,手机和其他设备爆炸的危险。当对电池进行超快速充电时,这尤其重要,它会造成更多类型的电池损坏,从而导致火灾。

该研究小组最近在“自然能源”描述了他们的工作。

集电器一直被认为是自重的,直到现在还没有被成功利用来提高电池性能。但是在我们的研究中,使集电极重量减轻80%可以使锂离子电池的能量密度增加16-26%。与最近几年的平均3%增长相比,这是一个很大的进步。-负责这项研究的斯坦福大学教授崔毅说。

锂离子电池无论是圆柱还是袋形,都有两个集电器,每个电极一个。它们分配流入或流出电极的电流,并且占某些大功率或超薄电池重量的15%至50%。减轻电池的重量本身是可取的,这样可以使设备更轻巧,并减少电动汽车的重量。在给定的重量下存储更多的能量。

崔说,减轻电池重量和可燃性还可以降低回收电池的运输成本,对回收产生重大影响。

电池行业的研究人员一直在尝试通过使集电器更薄或更多孔来减轻集电器的重量,但是这些尝试具有不良的副作用,例如使电池更易碎或化学不稳定或需要更多的电解质,这增加了成本。

在对问题进行了头脑风暴之后,研究团队设计了一种实验,用于制造和测试基于一种称为聚酰亚胺的轻质聚合物的集电器,该聚合物具有耐火性并能承受快速电池充电所产生的高温。将阻燃剂磷酸三苯酯或TPP.md嵌入聚合物中,然后在其两个表面上均涂覆了一层超薄铜层。铜不仅可以完成通常的电流分配工作,而且可以保护聚合物及其阻燃剂。

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%,并且其传导电流的效率与常规集电器相同,没有降解。

这种方法的一大优点是,新的集电器应该易于制造,而且更便宜,因为它可以用廉价的聚合物代替一些铜。因此将其扩大规模用于商业生产,“应该非常可行。” 研究人员已经通过斯坦福大学申请了一项专利,崔说他们将与电池制造商联系以探讨可能性。

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这项工作得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室,车辆技术办公室的支持,该办公室通过锂离子电池的快速充电电池评估(XCEL)计划进行。

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