刘凯:用材料构筑安全防线,让锂离子电池摆脱着火命运


2019年12月14日,《麻省理工科技评论》发布了2019年“中国35岁以下创新者”中国名单。虽然这份名单中没有“企业家”,但我们看到了许多在具有工业化潜力的领域坚持科研使命的获奖者,也看到了更多分散在海外顶级学术机构的科学家,他们通过自己的不懈努力取得了世界级的科研成果,半数以上的获奖者取得了世界级的突破性研究成果和发现。我们将继续对35位获奖者进行专访,介绍他们的科技创新成果和经验,以及他们对科技发展趋势的理解和判断。

关于35岁以下的中国创新者名单

自1999年以来,《麻省理工科技评论》每年都推出“35岁以下的中国创新者”名单,旨在选出35名年轻的技术创新者或企业家,他们被认为是最有才华、最具创新性、最有可能改变世界的人,分为五类:发明家、企业家、远见者、人文关怀者和先锋。2017年,该名单在中国正式推出,以选拔中国籍的年轻技术创新者。正在为新的2020年度名单征集提名和申请。截止日期是2020年6月30日。详情请参阅文章的结尾。

刘凯

Inventor

刘凯凭借在锂离子电池领域的一系列成就获得2019 《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新人物”中国奖。

获奖时的年龄:32岁

获奖时的职务:清华大学助理教授获奖原因:从事高安全性锂离子电池的科学研究,系统地研究了锂离子电池的热失控机理,并提出了一系列在材料层面提高锂离子安全性的新方法。

锂离子电池是电动汽车、便携式设备、储能等领域最重要的技术之一。可以说,没有锂离子电池,就没有移动智能生命,人类应对气候变化的努力也缺少一个重要的帮手。

然而,自从锂离子电池技术诞生以来,它的头上一直笼罩着一层挥之不去的“安全阴影”。无论是被主要航空公司拒绝的三星note 7,还是频繁自燃的电动汽车,都反映了同样的问题:锂离子电池太容易失控。

刘凯,清华大学化学工程系助理教授,从事高安全性锂离子电池的科学研究。他提出了一系列新方法来提高锂离子在材料层面的安全性,这有望帮助电动汽车和手机摆脱火灾的命运。

刘凯在吉林大学化学学院学习。这里的氛围是坚实的,训练系统是系统的,教学是严格的。它是许多顶尖化学人才的摇篮。之后,他进入清华大学化学系攻读博士学位,并获得清华大学最高荣誉清华大学特别奖学金,每年只授予10名研究生。

毕业后,刘凯去斯坦福大学做博士后研究。刘凯回忆说,斯坦福是一个非常多元化和开放的地方。学校不同部门之间的界限并不明显。电子、机械、材料、化学和物理领域的人都在同一栋大楼里做实验。即使在吃饭和交流的时候,许多交叉的想法也会出现。然而,实验室里有各种背景的人。不管遇到什么问题,他们都可以找专家来问。他在锂离子电池安全领域的创新也得益于这种“无限思维”的环境。

刘凯博士期间,他的研究方向是超分子材料。这是一种基于分子间超分子相互作用的自组装材料,具有特殊的优异性能,如动态响应和自修复。然而,他并不熟悉博士后期间要研究的锂离子电池。然而,他将超分子材料的知识引入到锂离子电池的研究中,极大地提高了锂离子电池的安全性。

Photo |刘凯在颁奖典礼上致辞(来源:DeepTech)

他首先全面系统地分析了锂离子电池热失控的机理,并将其分为“萌芽”、“蔓延”和“爆发”三个阶段。以对锂离子电池安全威胁最大的锂枝晶的生长为例:在低温充电和快速充电条件下,枝晶金属锂枝晶会在电极材料上生长,这是锂离子电池热失控的“胚胎”阶段。后来,在“扩散”阶段,锂枝晶将逐渐刺穿正极和负极之间的绝缘膜,从而在“爆炸”阶段导致电池内部短路、着火和爆炸。

根据三个阶段的不同特点,刘凯设计了不同的材料,构建了“三道防线”,防止锂离子电池的热失控。

在“胚胎”阶段,刘凯引入动态超分子作为锂金属电极的“智能反馈”涂层。他在锂金属表面涂了一层含有硼酸盐动态共价键的聚合物,厚度只有1微米左右。这种涂层最初是柔软的,但是当锂枝晶生长并刺入涂层时,它将刺激硼酸盐动态共价键的“剪切增稠性质”,使涂层变硬并“压下”生成的锂枝晶。刘凯发现,智能涂层能有效抑制锂枝晶的生成,副作用小。

如果锂枝晶突破第一道防线,穿透隔膜,电池的热失控将进入“扩散”阶段,刘凯的第二道防线将发挥作用。他提出了一种叫做“反应保护”隔膜的新机制,在隔膜上添加一些化学物质,可以“吃掉”进入隔膜的化学活性很高的锂金属。这种通过化学淬火减缓锂枝晶生长速度的方法使锂金属阴极的使用寿命延长了5倍。

最后,在“爆发”阶段,他还建造了具有热刺激响应功能的第三道防线“分子灭火器”。为了防止电池燃烧,常用的方法是在易燃电解液中加入阻燃剂,但阻燃剂会大大降低电池在正常工作时的电化学性能。刘凯提出的解决方案是将阻燃剂放入一个由含氟共聚物制成的微型壳体中,该壳体具有电化学惰性和低熔点。在正常充放电过程中,聚合物外壳可以阻断阻燃剂与电解液的接触,减少阻燃剂对电池性能的负面影响;然而,当电池的温度由于热失控而升高时,外壳将被加热并熔化,阻燃剂将像灭火器一样喷出并释放到电解液中以抑制燃烧。在不影响锂离子电池性能的前提下,他将电解液自熄时间缩短了近30倍。这个想法使得锂离子电池既具有高电化学性能又具有良好的安全性成为可能。

刘凯说影响锂离子电池安全性的因素很多。他只提供了一个框架和想法,今后肯定还有很多工作要做。“科学研究是我们服务祖国的方式。我希望这个世界能因为我们的研究成果而有所改变。这是科学研究人员的使命。”