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鋰離子電池因內(nèi)部經(jīng)常短路而臭名昭著，內(nèi)部短路會點燃電池的液體電解質(zhì)，導致電池爆炸從而引發(fā)火災。近日，伊利諾伊大學的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種基于聚合物的固體電解質(zhì)，這種電解質(zhì)在損壞后可以自愈，也可以在不使用刺激性化學物質(zhì)或高溫的情況下進行回收。

這項新的研究可以幫助制造商生產(chǎn)可回收，可自我修復的商業(yè)電池，該研究發(fā)表在《美國化學學會雜志》上。

研究人員說，隨著鋰離子電池經(jīng)歷多個充電和放電循環(huán)，它們會形成微小的樹枝狀固態(tài)鋰，稱為樹枝狀晶體。這些結(jié)構(gòu)會縮短電池壽命，造成熱點和短路，有時會變得足夠大而刺穿電池的內(nèi)部部件，從而導致電極和電解液之間發(fā)生爆炸性化學反應。

化學家和工程師一直在推動用固體材料（例如陶瓷或聚合物）代替鋰離子電池中的液體電解質(zhì)。然而，這些材料大多數(shù)是剛性且易碎的，會導致電解質(zhì)與電極之間接觸不良以及導電率降低。

該論文合著者Brian Jing說：“固體離子導電聚合物是開發(fā)非液體電解質(zhì)的一種選擇。但是，電池內(nèi)部的高溫條件會熔化大多數(shù)聚合物，從而再次導致枝晶和故障。”

過去的研究已經(jīng)通過使用交聯(lián)形成橡膠狀鋰導體的聚合物鏈網(wǎng)絡生產(chǎn)了固體電解質(zhì)，這種方法雖然延遲了樹枝狀晶體的生長，但是，這些材料很復雜，損壞后無法回收或修復。

為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了一種網(wǎng)絡聚合物電解質(zhì)，其中的交聯(lián)點可以發(fā)生交換反應并交換聚合物鏈。研究人員說，與線性聚合物相比，這些網(wǎng)絡實際上在加熱時會變硬，從而可以最大程度地減少枝晶問題。此外，它們在損壞后很容易分解并重新固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其可回收利用，并且由于其自愈性，因此在損壞后可以恢復導電性。

“這種新型的網(wǎng)絡聚合物還顯示出卓越的特性，即電導率和剛度都隨加熱而增加，這是常規(guī)聚合物電解質(zhì)所沒有的，” Jing說。

材料科學與工程學教授，論文第一作者克里斯托弗·埃文斯說：“大多數(shù)聚合物都需要強酸和高溫才能分解。而我們的材料在室溫下可溶于水，是一種非常節(jié)能且環(huán)保的工藝。”

研究小組探究了這種新材料的導電性，并發(fā)現(xiàn)了其作為有效的電池電解質(zhì)的潛力，但是他們承認，要與目前使用的電池相媲美，還需要一定的過程。

埃文斯說：“我認為這項工作為其他人提供了一個有趣的測試平臺，我們在聚合物中使用了一種非常特殊的化學物質(zhì)和一種非常特殊的動態(tài)鍵，但我們認為這個平臺可以進行重新配置，從而與許多其他化學物質(zhì)一起使用，能夠調(diào)整傳導率和機械性能。”