随着微型电子设备和电动汽车等行业的快速发展,高能量密度和高输出功率电池应用越来越广泛。一方面,这些电池可能在高温状态下工作,另一方面,这些电池在快速充电/放电过程中,自身会产生大量的热量,高温下的工作状况会使电池性能出现永久性下降,极端情况下还会引起火灾和爆炸。

面对这些问题,高能量密度和高功率的电池热管理,成为电池实际应用中亟须攻关的重点方向。近日,南洋理工大学教授范红金团队和武汉大学动力与机械学院研究员刘抗团队合作,从电池自身设计的角度出发,结合发汗冷却机理,开发出一种基于智能吸湿性水凝胶电解质的热自保护锌离子电池。相关研究成果发表于《先进能源材料》。

研究显示,当电池处于高温工作状态时,水凝胶中的水分会快速蒸发,凝胶电解质的离子扩散系数逐渐降低,从而抑制离子在正极和负极之间的迁移,电池的容量逐渐减小直至电池停止工作,从而达到自我保护的目的。当温度恢复正常时,水凝胶电解质从空气中自发吸收水分恢复到初始状态。

据介绍,热自保护锌离子电池的阳极为锌泡沫,阴极为MnO2/碳布纤维,介于阴阳极之间的吸湿性水凝胶作为电解质和隔膜,由ZnCl2溶液浸泡过的聚丙烯酰胺水凝胶电解质组成,可通过ZnCl2溶液浓度调节其饱和蒸气压。

在25℃时,水凝胶的饱和蒸气压接近于环境中的水蒸气分压,水凝胶与周围环境之间的水分平衡,凝胶质量可在10天内几乎保持不变。此外,高温可以破坏这种湿度平衡。当温度升高到50℃时,水凝胶迅速失水;当温度恢复到25℃,水凝胶从环境中吸水自动恢复到初始状态。在高温下,由于热效应,凝胶的离子扩散系数会有一段时间的升高;随着高温的持续,离子扩散系数最终会明显降低。

为了演示电池的热自保护功能,作者还使用加热片来模拟高温环境。当加热器设置为70℃时,MnO2阴极的温度为50.5℃,电池表面温度远低于加热片温度。水凝胶电解质中的水通过多孔MnO2电极蒸发带走部分热量实现了自发冷却功能。当电池突然暴露在高温环境下时,随着离子扩散系数的增加,电池容量会有略微提升。但是如果电池长时间暴露于高温环境下,电池容量逐渐减小直至停止工作。当温度恢复正常时,水凝胶电解质从空气中自发吸收水分,在3小时后电池逐渐恢复工作,且容量与初始状态几乎相同。

值得注意的是,凝胶电解质的聚合物骨架不是唯一的,作者还尝试用化学交联方法制备的聚乙烯醇水凝胶作为电解质,同样可以实现锌离子电池的热自保护功能。这证明,智能吸湿性水凝胶电解质可以作为电池热自我保护的一种通用策略。这种结构为当前高能量密度和高输出功率电池的设计提供全新的热保护思路,在微型电子设备和电动汽车电池热设计领域具有较大的潜力。(盛夏)