熱失控實驗示意圖
隨著微型電子設備和電動汽車等行業的快速發展，高能量密度和高輸出功率電池應用越來越廣泛。一方面，這些電池可能在高溫狀態下工作，另一方面，這些電池在快速充電/放電過程中，自身會產生大量的熱量，高溫下的工作狀況會使電池性能出現永久性下降，極端情況下還會引起火災和爆炸。
面對這些問題，高能量密度和高功率的電池熱管理，成為電池實際應用中亟須攻關的重點方向。近日，南洋理工大學教授范紅金團隊和武漢大學動力與機械學院研究員劉抗團隊合作，從電池自身設計的角度出發，結合發汗冷卻機理，開發出一種基于智能吸濕性水凝膠電解質的熱自保護鋅離子電池。相關研究成果發表于《先進能源材料》。
研究顯示，當電池處于高溫工作狀態時，水凝膠中的水分會快速蒸發，凝膠電解質的離子擴散系數逐漸降低，從而抑制離子在正極和負極之間的遷移，電池的容量逐漸減小直至電池停止工作，從而達到自我保護的目的。當溫度恢復正常時，水凝膠電解質從空氣中自發吸收水分恢復到初始狀態。
據介紹，熱自保護鋅離子電池的陽極為鋅泡沫，陰極為MnO2/碳布纖維，介于陰陽極之間的吸濕性水凝膠作為電解質和隔膜，由ZnCl2溶液浸泡過的聚丙烯酰胺水凝膠電解質組成，可通過ZnCl2溶液濃度調節其飽和蒸氣壓。
在25℃時，水凝膠的飽和蒸氣壓接近于環境中的水蒸氣分壓，水凝膠與周圍環境之間的水分平衡，凝膠質量可在10天內幾乎保持不變。此外，高溫可以破壞這種濕度平衡。當溫度升高到50℃時，水凝膠迅速失水;當溫度恢復到25℃，水凝膠從環境中吸水自動恢復到初始狀態。在高溫下，由于熱效應，凝膠的離子擴散系數會有一段時間的升高;隨著高溫的持續，離子擴散系數最終會明顯降低。
為了演示電池的熱自保護功能，作者還使用加熱片來模擬高溫環境。當加熱器設置為70℃時，MnO2陰極的溫度為50.5℃，電池表面溫度遠低于加熱片溫度。水凝膠電解質中的水通過多孔MnO2電極蒸發帶走部分熱量實現了自發冷卻功能。當電池突然暴露在高溫環境下時，隨著離子擴散系數的增加，電池容量會有略微提升。但是如果電池長時間暴露于高溫環境下，電池容量逐漸減小直至停止工作。當溫度恢復正常時，水凝膠電解質從空氣中自發吸收水分，在3小時后電池逐漸恢復工作，且容量與初始狀態幾乎相同。
值得注意的是，凝膠電解質的聚合物骨架不是唯一的，作者還嘗試用化學交聯方法制備的聚乙烯醇水凝膠作為電解質，同樣可以實現鋅離子電池的熱自保護功能。這證明，智能吸濕性水凝膠電解質可以作為電池熱自我保護的一種通用策略。這種結構為當前高能量密度和高輸出功率電池的設計提供全新的熱保護思路，在微型電子設備和電動汽車電池熱設計領域具有較大的潛力。
相關論文信息：http://doi.org/10.1002/aenm.202002898
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