技術領域雜亂無章地充斥著所謂更好的電池的承諾，這些電池在實驗室里看起來很有前途，但在商業(yè)上卻沒有成功，假設在實際商業(yè)化之前，甚至有人試圖將其擴大到試運行。雖然未能實現(xiàn)飛躍的原因和電池進步本身一樣五花八門，但這并不意味著創(chuàng)新者已經(jīng)停止了嘗試。

現(xiàn)在，兩個不相關的研究團隊--一個在斯坦福大學/SLAC，另一個在德克薩斯農(nóng)工大學--已經(jīng)設計出了他們所說的將更安全、更好的電池。這些進展解決了這種鋰基(Li-ion)電化學儲能庫的雙重現(xiàn)實--其高能量密度和與這種密度相關的風險。

斯坦福大學的一個團隊與能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員合作，重新設計了電池中的銅箔或鋁箔薄片，稱為集電器（最重的電池部件之一），使它們的重量減少了80%，并能立即熄滅任何發(fā)生的火災。這些集流器分配流進或流出電極的電流，占一些大功率或超薄電池重量的15%到50%。

該團隊建立了以輕質聚酰亞胺聚合物為基礎的電流收集器的制作和測試實驗，這種聚合物具有耐火性，并能承受電池快速充電所產(chǎn)生的高溫。聚合物中還嵌入了一種阻燃劑-磷酸三苯酯，或稱TPP；隨后在其兩面涂上一層超薄的銅（圖1）。

1.重新設計的電流導體（將電流分配到電極和從電極出來的薄金屬箔）使鋰離子電池更輕、更安全、更高效。他們用涂有超薄銅的輕質聚合物層（右上）取代了全銅導體（中間），并在聚合物層中嵌入阻燃劑以熄滅火焰（右下）。(來源：葉玉生/斯坦福大學)

因此，銅既完成了分配電流的作用，又保護了聚合物及其內部的阻燃劑，對抑制火災和發(fā)火非常有效（圖2）。

2.當暴露在明火中時，用今天的商用集電體制造的鋰離子袋式電池(上排)會起火并劇烈燃燒，直到所有的電解液燒掉。使用新型阻燃集電體的電池（下排）產(chǎn)生的微弱火焰在幾秒鐘內就熄滅了，即使科學家們試圖重新點燃它們，也沒有再次燃起。(來源：葉玉生/斯坦福大學)

與現(xiàn)在的版本相比，這一變化使目前的集電體重量減輕了80%。博士后研究員葉玉生指出，這相當于在各種類型的電池中增加了16%到26%的能量密度，而且它的電流傳導能力和普通集電體一樣好，沒有退化。

領導這項研究的SLAC和斯坦福大學教授YiCui補充道：電流收集器一直被認為是死物，直到現(xiàn)在還沒有成功地利用它來提高電池性能。人們也曾嘗試在電池電解液中添加阻燃劑，也就是易燃部分，但你只能添加這么多，然后它就會變得粘稠，不再能很好地傳導離子。

他們在《自然》雜志上的論文Ultralightandfire-inguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries中詳細介紹了這項工作，同時還提供了補充資料和許多視頻（雖然主論文在付費墻后，但這里有它的預印本）。研究人員還申請了專利。這項工作得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室、車輛技術辦公室根據(jù)鋰離子電池的eXtreme快速充電電池評估（XCEL）項目的支持。

德州農(nóng)工大學的CNT方法

在德州農(nóng)工大學，研究人員創(chuàng)造了一種防止鋰電池過熱和失效的技術。他們?yōu)殡姵卦O計的碳納米管(CNT)能夠安全地儲存大量的鋰離子，從而降低火災風險。此外，它還將幫助鋰電池的充電速度快于目前的市售電池。

這種新的架構可以防止鋰在陽極外積聚，隨著時間的推移，會導致電池兩廂內容物之間的意外接觸，這是設備爆炸的主要原因之一，該團隊的材料科學研究生JuranNoh說。

研究人員試圖克服眾所周知的樹枝狀問題，它們的生長最終會穿透分隔電池兩格的材料，導致短路，從而導致電池點燃。長出的樹枝狀物還會消耗鋰離子，使其無法用于產(chǎn)生電流流，從而對電池的性能產(chǎn)生不利影響。

該團隊設計了使用碳納米管作為支架的陽極，其上有空間或孔洞，供鋰離子進入和沉積。不過這些結構不容易與鋰離子結合，這不僅阻礙了樹枝生長，也阻礙了電池提供大電流的能力。

然而，用最佳數(shù)量的結合分子對CNT陽極進行額外的微調，防止了樹枝狀物的形成，使大量的鋰離子能夠結合并沿著支架的表面擴散（圖3）。這增強了電池產(chǎn)生大電流、持續(xù)電流的能力。

3.德克薩斯農(nóng)工大學的團隊創(chuàng)造了一種碳納米管支架，它能最大限度地減少樹枝生長，同時還能為鋰離子提供必要的結合面。(來源：德州農(nóng)工大學)

正如Noh所指出的那樣，當我們擁有適量的這些結合分子時，我們就可以在某些地方'解開'碳納米管支架，讓鋰離子通過并結合在支架的整個表面上，而不是聚集在陽極的外表面并形成樹枝狀。

在他們的過程中，他們將鋰插入到多孔、三維、CNT結構中，其表面被改變?yōu)榫哂锌咒嚒⒂H鋰和雜化的恐鋰/親鋰特性（恐鋰指的是材料潤濕表面的能力或傾向）。他們的結果顯示了16mAh/cm2的高面積容量，以及8mA/cm2的電流密度，但卻沒有明顯的樹枝形形成或體積膨脹（另一個常見的電池問題）。

為了分析他們的制造效果，他們進行了電壓/電流曲線的in-operando研究（in-operando是指一種分析方法，即對正在進行反應的材料進行表征的同時，還要對催化活性進行測量，比更著名的原位分析更為先進）。