密西根理工大学（Michigan Tech）材料科学和工程系Charles和Carroll McArthur教授Yun Hang Hu领导的研究团队，找到了一种全新的方法来合成碳纳米片，这种碳纳米片就包埋了金属钠，而之前，这种材料仅仅停留在理论上。最近业内一家倍受关注的刊物《纳米快报》（Nano Letters ）报道了这项研究成果。
高导电性和大接触表面积，是理想电极材料的必要条件，但是这两种性质在现有材料中不兼容。无定形碳表面积虽然大，但导电率却很低。石墨正好与之相反，导电性较高，但是表面积不大。相比之下，石墨烯同时具备这两种性质，密西根理工大学Yun Hang Hu合成的包埋有金属钠的碳电极性能就非常好。
Hu介绍说，“与三维石墨烯相比，包埋有金属钠的碳不仅电导率比它大两个数量级，而且隧道和孔状结构还使它具备更大的接触面积。”
这种材料与简单参杂金属的碳不同，以往的金属只是简单的粘附在碳表面，很容易被氧化。不过，如果能够把金属埋入碳中，外部的碳骨架便会起到保护作用。为了合成这种梦寐以求的金属，Hu和他的团队不得不寻找新的工艺流程。他们让金属钠与一氧化碳反应，这种反应需要控制温度，从而生成黑色的碳粉捕获钠原子。
此外，密西根理工大学和得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texasat Austin）合作的研究结果证明，金属钠确实已被埋入碳中而不是简单的吸附在碳表面。接下来，研究团队在几种能源器件中测试了材料的性能。
在染料敏化太阳能电池领域，转换效率每提升0.1%，就意味着向商业化迈进一步。研究结果表明，基于铂的太阳能电池转换效率为7.89%，而这已经达到行业标准。相比之下，以包埋有金属钠的碳为材料的太阳能电池，转换效率可达11.03%。
比起可充电电池，超级电容器可以更快地接受和释放电荷，这又使它成为汽车，火车，电梯和其他重型机械设备的理想电源。材料储存电荷的能力，即容量，用法拉（farads，F）表示，材料的质量也很重要，用克（grams，g）表示。
在超级电容器中，活性炭是一种常见材料，它的比电容为71F/g。三维石墨烯的比电容稍大，为112F/g。相比之下，包埋有金属钠的碳纳米片的比电容高达145 F/g，远大于前两者。此外，经过5000次充/放电循环，这种新材料的性能还保持在96.4%，这表明电极具有很高的稳定性。
Hu还说，“能源器件领域急需创新。”同时，他认为包埋有金属钠的碳纳米片的应用前景很光明，这种材料促进了太阳能技术，电池，燃料电池和超级电容器等领域的发展。
随着电动汽车产业的快速发展，锂离子电池由于能量密度高、无记忆效应和安全性高等优点被广泛的用于动力电池领域。由于电动汽车的特殊性，因此对动力电池的安全性也提出更高的要求，例如在电动汽车发生碰撞等安全事故时，需要动力电池不起火、不爆炸，保证驾乘人员的安全性，因此在动力电池安全试实验中就包含了挤压、针刺等涉及到在极端滥用情况下锂离子电池安全性能的测试，能否通过这些严苛的安全试验，是评价一款锂离子电池安全性的终极标准。
在挤压试验中，锂离子电池首先是外壳发生变形，然后开始对电芯形成挤压，由于目前干法拉伸工艺制备的隔膜在横向和对角线方向上强度较低，因此在电芯变形达到一定程度时，隔膜的横向会首先发生断裂，导致锂离子电池的正负极直接接触，发生短路，瞬间释放出大量的热量，导致负极SEI膜、正极活性物质和电解液发生分解反应，导致锂离子电池发生热失控，最终导致锂离子电池起火和爆炸。
为了避免锂离子电池在挤压试验中发生热失控，提高锂离子电池的安全性，就需要对锂离子电池在挤压试验中发生热失控的机理，进行深入的研究，从而对锂离子电池进行针对性的安全设计，从而提升锂离子电池在挤压试验中的安全性。下面我们就一起来看一下美国麻省理工学院的最新研究成果。
美国麻省理工学院的Juner Zhu等人利用18650电池研究了在发生轴向挤压的过程中锂离子电池的发生热失控的机理，并利用有限元分析模型进行了仿真分析，该模型还原了不同的轴向压力对锂离子电池造成的影响，分析结果得到了CT扫描的验证，该仿真分析结果发现了两种可以解释在挤压试验中导致锂离子电池发生短路原因。
由于在动力电池组中18650电池一般是采用垂直装配的，在电池组发生跌落等情况下，轴向挤压是造成锂离子电池变形的主要原因，因此Juner Zhu主要研究了在轴向压力下电池变形导致锂离子电池短路的机理。一些传统的模型由于假设锂离子电池内部是一个均一的整体，因此在预测18650电池轴向压缩试验的时候就无法准确预测试验结果，这主要是由于锂离子电池电芯的特殊结构，导致在电芯的上部和下部并不完全一致，同时由于锂离子电池上盖（也就是正极）独特的结构使得锂离子电池在承受轴向压力的时候，可能会在内短路发生之前，就引起锂离子电池发生短路。
18650电池主要由三部分组成：安全阀、卷芯和低碳钢外壳。安全阀通常由正温度系数材料、铝安全阀和不锈钢正极端子、气体密封垫等组成，电芯由正极、负极和隔膜组成，在本试验中正极的活性物质的成分为LiCoO2。轴向载荷的加载速度为5mm／min，所有的试验电池在试验之前都已经完全放电（SOC＝0）。测试结果显示，18650电池在轴向压力测试中压力呈现出缓慢上升——快速上升——轻微下降——快速上升的趋势，而电压测试显示，18650电池在变形达到4mm的情况下才会发生失效，而且通过试验发现，18650电池的电压突降主要是由于电池内部短路造成的，而不是内部结构的断路。为了研究18650在轴向压力下失效的机理，Juner Zhu还利用有限元软件对其进行了分析，模型中的材料主要采用了弹塑性模型，并且考虑了各种材料的各向异性的特点，模型中包涵了上百万的计算单元，轴向载荷的加载速度被设置为1m／s。仿真结果再现了在轴向载荷的情况下，18650电池变形的经过。首先电池的上盖区域的壳体开始发生塑性变形，在变形程度超过1mm后，变形的外壳开始挤压电池卷芯的上部，随着变形程度的增加，电芯开始出现变形，从而在压力曲线上出现了一个轻微的下降，然后随着电池壳体与电芯的接触面积的增加，使得压力曲线呈现了一个快速上升的趋势。CT扫描结果也很好的验证了上述分析，试验电池的变形主要发生在上部结构中，电池下改几乎没有发生变形。
对试验后的18650电池进行拆解显示，虽然电芯发生了严重的变形，但是正负极并没有发生断裂，反而是隔膜在距离上部边缘1.3mm的位置出现了一个裂缝，这直接导致了电池发生短路，电压突降，而这一裂缝可能是由于金属箔锋利的边缘侵入造成的。此外隔膜的在一些位置厚度出现了很大的下降，这主要是由于凹陷的外壳挤压电芯造成的。
从上述分析结果来看，轴向压力下导致18650电池短路的可能原因主要有以下几点。
1. 外壳通过破裂的隔膜与正负极接触
2. 正负极通过破裂的隔膜接触
3. 正负极通过隔膜变薄的区域接触
4. 安全阀被挤压，与电芯接触
从测试结果来看，当18650电池轴向变形达到4mm时就会引发内短路，因此需要在电池组安全设计的时候特别考虑。此外由于在轴向压力时变形主要发生在18650电池的上部，因此对18650电池上部的安全设计也要特别在意。
