[科技] | 一款關鍵時刻能「救命」的電解液

在介紹這款神奇的電解液之前，先向大家介紹一種有趣的現象——剪切增稠，顧名思義，就是液體在受到突然的剪切力時，粘度瞬間增大，這種液體也稱為非牛頓液體，話不多說上視頻。

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剪切增稠液體最大的特點是在常態下呈現出良好的流動性，但是在突然遭遇到剪切力時會變的堅韌無比，這也是上面視頻中為什麼當鎚子緩慢的放在玉米澱粉溶液中時，會陷入其中，反而是在快速敲擊液體時反而被反彈回來的原因，目前這一技術已經在軍事上被用來製作防彈衣，保護士兵免受子彈的傷害。

圖片來源見水印

在電動汽車的使用中可能會面對碰撞等高能事件，這可能會導致鋰離子電池在巨大的衝擊下發生內部短路等安全問題，而剪切增稠液體在面臨剪切力時所呈現出的強度增強的特點，為我們保護鋰離子電池免受衝擊傷害，提供了新的思路。

近日美國橡樹嶺國家實驗室的Gabriel M. Veith提出了一種基於剪切增稠液體的電解液方案，該電解液突出的特點是在正常狀態下，電解液是呈現出液體狀態，但是在遭遇到突然的剪切力時則會呈現出固體一樣的狀態，從而避免鋰離子電池發生內部短路，提高動力電池在車輛碰撞過程中的安全性。

鋰離子電池現有的電解液很好的適應了鋰離子電池的電化學特性，保證鋰離子電池良好的性能，但是其易燃的特性也為鋰離子電池埋下了安全隱患，為了將傳統的鋰離子電池轉變為剪切增稠型液體，提高鋰離子電池的安全性，Gabriel M. Veith在其中增加了插入粒子（二氧化硅），在遭遇到衝擊、砍削和穿刺等突然剪切時二氧化硅顆粒能夠瞬時增加電解液的強度從而對電池形成保護。

試驗中分別採用了氣相法二氧化硅、硅藻土和實驗室製備的Stober二氧化硅，將上述硅顆粒分別與1.2M的LiPF6電解液按照不同的比例混合，試驗發現5-30%重量分數的氣相法二氧化硅溶液在初始的時候都呈現出了凝膠狀態，當承受剪切力時，表現出了剪切變稀的狀態，也就是在剪切時，電解液的粘度發生了下降。而其他兩種氧化硅材料混合電解液則都呈現出剪切增稠狀態，從下圖的試驗數據可以看到，幾乎在給電解液施加剪切力的一瞬間，電解液的粘度就發生了快速的上升，而且隨著重量分數的增加，電解液的粘度增加也越明顯。

為了理解這三種硅材料分散電解液在剪切力下不同的反饋，Gabriel M. Veith使用了光散射測量技術對其進行研究，結果顯示電解液中高度單分散（<0.01）二氧化硅顆粒能夠使的電解液在承受剪切力時表現出剪切增稠的狀態，但是多分散（>0.1）的二氧化硅顆粒則會使的電解液在承受剪切力時呈現剪切變稀的狀態。Gabriel M. Veith認為剪切增稠的原理為，在二氧化硅顆粒分散在電解液中能夠形成穩定的、均勻分散的混合溶液，但是在遭遇到剪切時，這些二氧化硅顆粒會變的極不均勻，或者團聚到一起，阻止液體繼續流動，從而達到剪切增稠的效果。

Li

Gabriel M. Veith

25%

Stober

25%

11.7

11.4KJ/mol

為了檢驗這樣一款剪切增稠型電解液的實用性，Gabriel M. Veith利用NCM111/石墨電池對該電解液進行了評估，電解液採用含有20%二氧化硅的電解液（需要注意的是由於該電解液的流變特性，使得我們無法採用泵輸送電解液，只能進行緩慢的加註）。經過多次循環，電池的放電曲線沒有發生明顯的變化，表明該電解液對電池性能沒有負面的影響

Gabriel M. Veith利用鋼球衝擊試驗驗證了該電池在面臨突然衝擊時的性能，實驗時首先將一個1.27cm的不鏽鋼小球放置在電池的表面，在距離不鏽鋼球43cm的上方，放置一個重量為1.923kg的黃銅球，黃銅球墜下后，將能量傳遞給不鏽鋼球，再傳遞給電池。電池在測試過程中的電壓變化如下圖所示。可以看到普通電解液電池在衝擊后電池發生短路，電壓迅速下降。而採用剪切增稠型電解液的電池則只在電池衝擊的一瞬間發生了電壓波動，隨後電壓及恢復正常。表明在面臨衝擊等風險時，剪切增稠型電解液能夠顯著的改善了電池的安全性。

剪切增稠型電解液使得電池在發生衝擊過程中，電池的強度瞬間提高，避免電池內部發生短路，提高了鋰離子電池安全性，這一點在動力電池使用過程中非常重要，在發生車禍的過程中能夠保護電池組免受衝擊的傷害，減少起火燃燒的風險。

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