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美國密西根大學(University of Michigan)的研究人員利用從克維拉(Kevlar)擷取的奈米纖維，開發出用於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夢幻客機先前發生的起火爆炸意外。
Kevlar是防彈背心中常用的材料，如今可被用來開發抑制金屬卷鬚生長的隔離層——這種金屬卷鬚可能成為鋰電池中不利於電流路徑以及導致失控起火的來源。

密西根大學的研究團隊還在密西根州的Ann Arbor市成立了Elegus Technologies，期望將研究成果從實驗室推向市場，並預計在2016年第四季展開大量生產。

「與碳奈米管等其他超堅固的材料不同的是，Kevlar是一種絕緣體，」密西根大學Joseph B. and Florence V. Cejka工程學教授Nicholas Kotov解釋，「這項特性非常適合用於打造防止電池兩極之間發生短路所需的隔離層。」

鋰離子電池的作業原理是在兩極之間來回傳遞鋰離子，從而形成電荷不平衡，而由於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，鋰原子會自動聚集形成樹狀晶，最終戳穿薄膜。一旦穿透薄膜達到另一端電極，鋰原子將會在電池中形成電路，導致電池短路。這就是一般認為導致波音787電池起火爆炸的原因。

「蕨形的樹狀晶由於具有奈米級尖刺，特別難以隔離阻擋，」在Kotov研究團隊中的一名研究生、同時也是Elegus技術長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奈米，或幾十萬分之一公分，然而，密西根大學所開發的薄膜孔隙約為15至20nm。這已足夠大到讓個別的鋰離子通過，但又夠小足以阻止20-50nm的蕨狀結構通過。

研究人員們以緊密層疊纖維的方式製造薄膜。這種方法可使讓塑料中的鏈狀分子保持延展性，這對於實現電極之間的鋰離子導電率至關重要。

「這種材料的特點是可以做得非常薄，因而能夠在相同尺寸的電池中儲存更多能量，或者可以縮小電池尺寸，」經由密西根大學創業家計劃協助成立Elegus的工程師Dan VanderLey表示，「我們看到許多人對於打造更輕薄的產品十分感興趣，」目前也已經有30家公司期望取得這種材料的樣品了。

Kevlar的抗熱性高，其薄膜在起火後得以倖免的機率比目前使用的大部份薄膜更高，因而有助於實現更安全的電池。

雖然研究團隊對於這種薄膜阻檔鋰離子樹狀晶生長的能力感到滿意，但他們目前正致力於尋找各種方法來改善鋰離子的流動，使電池能夠更快速的充電與放電。

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

編譯：Susan Hong

(參考原文：Can Kevlar Prevent Lithium-Ion Battery Fires?，by Paul Buckley)