安全電池：內置熱響應高分子開關材料

劉楠(北京師范大學化學學院，北京100088)

安全電池：內置熱響應高分子開關材料

劉楠
(北京師范大學化學學院，北京100088)

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安全電池長期以來備受關注。人們在追求高質量、經久耐用電池的同時，也希望能夠提升電池的安全系數，對高溫、漏電等進行快速響應。主要的方法有：在電池中增加分隔膜、熱擋板或利用非易燃的固態電解質1,2。這些或者對電池性能產生極大的影響，或者電池受損不能可逆控制電池的安全運行。

斯坦福大學鮑哲南教授和崔屹教授課題組最近開發出一種新型熱響應高分子復合材料3，它用于鋰離子電池集流體時，可以智能的控制電池的工作溫度，并且不影響電池的充放電性能，使得電池更安全可靠。此研究成果發表在最近的Nature Energy雜志上。

這種快速熱響應的高分子材料(簡稱TRPS)主要由兩部分組成：導電的填充物和熱膨脹系數高的高分子基體。室溫下TRPS的電導率可以高達50 S?cm－1，將它用于電池的集流體時，當溫度升高，高分子基體膨脹，導電填充物彼此分離，超過一定程度時，電阻會驟然升高，電池自動斷電；低于一定溫度時，TRPS可以再次恢復高電導率，電池性能不受影響。

這種TPRS之所以可以用于實現安全電池，主要受益于導電填充物的設計。它是納米尺寸的“鋸齒片”堆垛成的金屬鎳顆粒，這一表面結構提供了許多局域電場，構成了量子隧道效應，使得很小含量的填充物即可得到高導電率的復合高分子材料。另外，金屬鎳顆粒在有機溶劑中超聲分散時，通過堿的輔助，有機溶劑分解，吸附在鎳的外表面，經過熱處理后形成很薄(約10 nm)的致密惰性的石墨層，有效的阻止了電池反應中鎳的陽極氧化。

這種TPRS用于安全電池，相對于其他方法來監測控制電池的安全運行，最顯著的優勢就是快速響應、無損恢復。具體來說就是，內置的TPRS在電池到達某一臨界溫度是，電阻會躍遷至原來的107－108倍，使得電池停止工作；當它降回到臨界溫度以下時，會恢復原來的電導，電池繼續工作。轉變溫度可以由填充物和高分子基體的比例、種類進行精細調控。正是由于TRPS的電阻在不同溫度下迅速可逆的變化，由它控制的電池也可以迅速開關，并且性能恒定。TPRS的這一巧妙應用，第一次實現了快速響應、斷電后可無損恢復運行的電池，拓寬了安全電池的控制方法。

References

(1)Balakrishnan,P.G.;Ramesh,R.;Kumar,T.P.J.Power Sources 2006,155,401.doi:10.1016/j.jpowsour.2005.12.002

(2)Zhang,S.S.J.Power Sources 2007,164,351.doi:10.1016/j. jpowsour.2006.10.065

(3)Chen,Z.;Hsu,P.C.;Lopez,J.;Li,Y.;To,J.W.F.;Liu,N.; Wang,C.;Andrews,S.C.;Liu,J.;Cui,Y.;Bao,Z.Nature Energy 2016,Article number:15009.doi:10.1038/ nenergy.2015.9

10.3866/PKU.WHXB201602261