Nano-ingenieurs van de University of California San Diego hebben een veiligheidsvoorziening ontwikkeld die voorkomt dat lithium-metaalbatterijen snel opwarmen en vlam vatten in het geval van een interne kortsluiting.

Het team heeft een slimme aanpassing gemaakt aan het deel van de batterij dat de separator wordt genoemd, die dient als een barrière tussen de anode en de kathode, zodat het de stroom van energie (en dus warmte) vertraagt ​​die zich ophoopt in de batterij wanneer deze kortsluiting maakt.

De onderzoekers, onder leiding van UC San Diego nano-engineering professor Ping Liu en zijn Ph.D. leerling Matthew Gonzalez, detail hun werk in een paper gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

"We proberen niet te voorkomen dat de batterij uitvalt. We maken het veel veiliger, zodat wanneer het toch uitvalt, de batterij niet catastrofaal in brand vliegt of explodeert, " zei Gonzalez, wie is de eerste auteur van de krant.

Lithium-metaalbatterijen falen vanwege de groei van naaldachtige structuren, dendrieten genaamd, op de anode na herhaaldelijk opladen. Overuren, dendrieten groeien lang genoeg om door de separator te prikken en een brug te vormen tussen de anode en de kathode, waardoor een interne kortsluiting ontstaat. Wanneer dat gebeurt, de stroom van elektronen tussen de twee elektroden loopt uit de hand, waardoor de batterij onmiddellijk oververhit raakt en niet meer werkt.

De separator die het UC San Diego-team heeft ontwikkeld, verzacht deze klap in wezen. De ene kant is bedekt met een dunne, gedeeltelijk geleidend web van koolstofnanobuisjes dat alle gevormde dendrieten onderschept. Wanneer een dendriet de separator doorboort en dit web raakt, elektronen hebben nu een pad waardoor ze langzaam kunnen wegvloeien in plaats van in één keer rechtstreeks naar de kathode te rennen.

Gonzalez vergeleek de nieuwe batterijscheider met een overlaat bij een dam.

"Als een dam begint te bezwijken, een overlaat wordt geopend om een ​​deel van het water op een gecontroleerde manier naar buiten te laten sijpelen, zodat wanneer de dam breekt en eruit stroomt, er is niet veel water meer over om een ​​overstroming te veroorzaken, "zei hij. "Dat is het idee met onze separator. We laten de lading veel leeglopen, veel langzamer en voorkomen een 'vloed' van elektronen naar de kathode. Wanneer een dendriet wordt onderschept door de geleidende laag van de separator, de batterij kan beginnen zichzelf te ontladen, zodat wanneer de batterij kortsluiting maakt, er is niet genoeg energie meer om gevaarlijk te zijn."

Andere inspanningen op het gebied van batterijonderzoek zijn gericht op het maken van afscheiders uit materialen die sterk genoeg zijn om te voorkomen dat dendrieten doorbreken. Maar een probleem met deze benadering is dat het het onvermijdelijke, zei Gonzalez. Deze scheiders moeten nog steeds poriën hebben die ionen doorlaten om de batterij te laten werken. Als gevolg hiervan, als de dendrieten er uiteindelijk doorheen komen, de kortsluiting zal nog erger zijn.

In plaats van dendrieten te blokkeren, het UC San Diego-team probeerde de effecten ervan te verzachten.

Bij testen, lithium-metaalbatterijen uitgerust met de nieuwe separator vertoonden tekenen van geleidelijke uitval gedurende 20 tot 30 cycli. In de tussentijd, batterijen met een normale (en iets dikkere) separator ondervonden abrupte storing in een enkele cyclus.

"In een echt gebruiksscenario, je zou geen waarschuwing vooraf hebben dat de batterij het gaat begeven. Het kan een seconde goed zijn, vat dan vlam of sluit volledig de volgende. Het is onvoorspelbaar, "Zei Gonzalez. "Maar met onze afscheider, je zou vooraf een waarschuwing krijgen dat de batterij een beetje slechter wordt, een beetje erger, een beetje erger, elke keer dat u hem oplaadt."

Hoewel deze studie zich richtte op lithium-metaalbatterijen, de onderzoekers zeggen dat de separator ook kan werken in lithium-ion en andere batterijchemie. Het team gaat werken aan het optimaliseren van de afscheider voor commercieel gebruik. Een voorlopig octrooi is ingediend door UC San Diego.