美國密西根大學(xué)（University of Michigan）的研究人員利用從克維拉（Kevlar）擷取的納米纖維，開發(fā)出用于鋰離子電池電極之間的隔離層，能夠有效防止類似波音（Boeing） 787夢幻客機(jī)先前發(fā)生的起火爆炸意外。

Kevlar是防彈背心中常用的材料，如今可被用來開發(fā)抑制金屬卷須生長的隔離層——這種金屬卷須可能成為鋰電池中不利于電流路徑以及導(dǎo)致失控起火的來源。

密西根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還在密西根州的Ann Arbor市成立了Elegus Technologies，期望將研究成果從實(shí)驗(yàn)室推向市場，并預(yù)計(jì)在2016年第四季展開大量生產(chǎn)。

“與碳納米管等其他超堅(jiān)固的材料不同的是，Kevlar是一種絕緣體，”密西根大學(xué)Joseph B. and Florence V. Cejka工程學(xué)教授Nicholas Kotov解釋，“這項(xiàng)特性非常適合用于打造防止電池兩極之間發(fā)生短路所需的隔離層。”

鋰離子電池的作業(yè)原理是在兩極之間來回傳遞鋰離子，從而形成電荷不平衡，而由于電子無法通過兩極之間的薄膜，改由通過電路而起作用。但是，如果薄膜上的孔洞太大，鋰原子會(huì)自動(dòng)聚集形成樹狀晶，最終戳穿薄膜。一旦穿透薄膜達(dá)到另一端電極，鋰原子將會(huì)在電池中形成電路，導(dǎo)致電池短路。這就是一般認(rèn)為導(dǎo)致波音787電池起火爆炸的原因。

“蕨形的樹狀晶由于具有納米級尖刺，特別難以隔離阻擋，”在Kotov研究團(tuán)隊(duì)中的一名研究生、同時(shí)也是Elegus技術(shù)長Siu On Tung表示，“因此，更重要的是這些纖維必須形成比尖刺尺寸更小的孔隙。”

在其他薄膜上的孔隙寬度約有幾百納米，或幾十萬分之一公分，然而，密西根大學(xué)所開發(fā)的薄膜孔隙約為15至20nm。這已足夠大到讓個(gè)別的鋰離子通過，但又夠小足以阻止20-50nm的蕨狀結(jié)構(gòu)通過。

研究人員們以緊密層疊纖維的方式制造薄膜。這種方法可使讓塑料中的鏈狀分子保持延展性，這對于實(shí)現(xiàn)電極之間的鋰離子導(dǎo)電率至關(guān)重要。

“這種材料的特點(diǎn)是可以做得非常薄，因而能夠在相同尺寸的電池中儲(chǔ)存更多能量，或者可以縮小電池尺寸，”經(jīng)由密西根大學(xué)創(chuàng)業(yè)家計(jì)劃協(xié)助成立Elegus的工程師Dan VanderLey表示，“我們看到許多人對于打造更輕薄的產(chǎn)品十分感興趣，”目前也已經(jīng)有30家公司期望取得這種材料的樣品了。

Kevlar的抗熱性高，其薄膜在起火后得以幸免的機(jī)率比目前使用的大部份薄膜更高，因而有助于實(shí)現(xiàn)更安全的電池。

雖然研究團(tuán)隊(duì)對于這種薄膜阻檔鋰離子樹狀晶生長的能力感到滿意，但他們目前正致力于尋找各種方法來改善鋰離子的流動(dòng)，使電池能夠更快速的充電與放電。

這項(xiàng)主題為《A dendrite-suppressing solid ion conductor from aramid nanofibers》的研究發(fā)表于最新一期的《自然通訊》（Nature Communications）期刊中。