集流器: 德国新型电池薄膜将提升电动汽车动力与安全性
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若发生短路,聚合物基体材料会熔断,瞬间切断电流路径。
德国研究人员开发出一种新的卷对卷生产工艺,旨在提高锂电池的安全性并提升其能量密度。
弗劳恩霍夫电子束和等离子体技术研究所 (Fraunhofer FEP) 开发了这项工艺,用于制造锂离子电池的一种新型组件 —— 聚合物基金属集流器 (metal-on-polymer current collectors)。
随着电动汽车日益普及,这种新型集流器作为一种内置安全机制,可在防止锂离子电池起火方面发挥关键作用。
防止热失控
这项创新技术旨在解决传统锂离子电池固有的火灾风险。这种风险通常由过充、组件损坏或过热引起的“热失控”导致。
电动汽车电池起火难以扑灭,因为电池并非一个单一单元。实际上,它由许多堆叠在一起的独立电芯组成。一旦某个电芯因化学反应起火,如同热失控一样,其产生的强烈热量会迅速蔓延至相邻电芯,直至整个电池包被火焰吞噬。
新型集流器采用聚合物薄膜替代了传统的金属箔片,该薄膜两面均镀有薄薄的铝层或铜层。
这一看似微小的改变带来了巨大优势。首先,它减轻了集流器的重量,从而提高了电池电芯的能量密度。功率更大,体积更小。
但更重要的是,它对安全至关重要。如果发生短路,聚合物基体材料会直接熔断,瞬间切断电流路径。
这阻止了热量积聚,直接预防了危险的热失控。它相当于电池内部集成的安全保险丝。
弗劳恩霍夫 FEP 研究所完善了一种卷对卷工艺,利用电子束蒸镀技术精确地施加这些金属涂层。
技术项目经理克劳斯·卢伯 (Claus Luber) 表示:“挑战在于如何设计聚合物薄膜和涂层工艺,使得集流器的厚度能与现有金属薄膜相媲美,同时金属层能具有最佳的导电性。”
他们成功了!
更安全的未来电池
该工艺成功地在聚合物薄膜上沉积了铜和铝的双面涂层,每层厚度高达1微米。
对于两种金属,该工艺都生产出了致密、无褶皱的薄膜,使其非常适合集成到电池生产中。
性能证明一切。项目合作伙伴布伦瑞克工业大学 (TU Braunschweig) 已将这种新型聚合物基金属集流器集成到软包电池中。
研究人员指出:“对这些电池的电化学性能进行了测试,并与传统的参考电池进行了比较。”
新闻稿补充道:“在这些测试中,使用聚合物基金属集流器的电池,在不同充放电速率下的性能和循环稳定性方面,表现与参考电池相当。”
研究团队表示,利用这种新的卷对卷方法,可以大规模生产这些新型聚合物基金属电池部件。
这些新部件有助于电池在相同体积下储存更多电力,这意味着手机可能续航更久,或者电动汽车的行驶里程更长。
如果出现问题导致电池短路,这种新型集流器的设计能够防止危险的过热和潜在的火灾。
这一发展为电池制造商奠定了坚实的基础,以开发出性能更优的下一代锂离子电池。
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