Lithium-ionbatterijen die vaak worden gebruikt in consumentenelektronica, staan ​​erom bekend dat ze in brand vliegen als ze beschadigd of verkeerd verpakt zijn. Deze incidenten hebben soms ernstige gevolgen, inclusief brandwonden, huisbranden en minstens één vliegtuigongeluk. Geïnspireerd door het vreemde gedrag van sommige vloeistoffen die stollen bij impact, onderzoekers hebben een praktische en goedkope manier ontwikkeld om deze branden te helpen voorkomen.

Ze presenteren hun resultaten vandaag op de 256e National Meeting &Exposition van de American Chemical Society (ACS).

"In een lithium-ionbatterij, een dun stukje plastic scheidt de twee elektroden, "Gabriël Veith, doctoraat, zegt. "Als de batterij beschadigd is en de plastic laag faalt, de elektroden kunnen in contact komen en ervoor zorgen dat de vloeibare elektrolyt van de batterij vlam vat."

Om deze batterijen veiliger te maken, sommige onderzoekers gebruiken in plaats daarvan een niet-ontvlambare, vaste elektrolyt. Maar deze solid-state batterijen vereisen een aanzienlijke aanpassing van het huidige productieproces, zegt Veith. Als een alternatief, zijn team mengt een additief in het conventionele elektrolyt om een ​​slagvast elektrolyt te creëren. Het stolt wanneer het wordt geraakt, voorkomen dat de elektroden elkaar raken als de batterij beschadigd raakt tijdens een val of crash. Als de elektroden elkaar niet raken, de batterij vat geen vlam. Nog beter, de toevoeging van het additief zou slechts kleine aanpassingen aan het conventionele fabricageproces van batterijen vereisen.

Het eureka-moment van het project kwam toen Veith en zijn kinderen speelden met een mix van maizena en water, bekend als oobleck. "Als je het mengsel op een bakplaat legt, het stroomt als een vloeistof totdat je erin begint te prikken, en dan wordt het een solide, " zegt Veith, die is gevestigd in het Oak Ridge National Laboratory en de hoofdonderzoeker van het project is. Nadat de druk is weggenomen, de stof wordt weer vloeibaar. Veith realiseerde zich dat hij dit omkeerbare "afschuifverdikkende" gedrag kon benutten om batterijen veiliger te maken.

Deze eigenschap hangt af van een colloïde, dat is een suspensie van kleine, vaste deeltjes in een vloeistof. In het geval van oobleck, het colloïde bestaat uit maïszetmeeldeeltjes die in water zijn gesuspendeerd. Voor het batterijcolloïde, Veith en zijn collega's van Oak Ridge en de Universiteit van Rochester gebruikten silica gesuspendeerd in gewone vloeibare elektrolyten voor lithium-ionbatterijen. Bij impact, de silicadeeltjes klonteren samen en blokkeren de stroom van vloeistoffen en ionen, hij legt uit. De onderzoekers gebruikten perfect bolvormige, deeltjes silica met een diameter van 200 nanometer, of in wezen een superfijn zand. "Als je die zeer uniforme deeltjesgrootte hebt, de deeltjes verspreiden zich homogeen in de elektrolyt, en het werkt fantastisch, " zegt Veith. "Als ze niet homogeen gedimensioneerd zijn, dan wordt de vloeistof minder stroperig bij impact, en dat is slecht."

Een paar andere laboratoria hebben onderzoek gedaan naar afschuifverdikking om batterijen veiliger te maken. Een team rapporteerde eerder over onderzoek met "fumed" silica, die bestaat uit kleine onregelmatige deeltjes silica. Een andere groep rapporteerde onlangs over het effect van het gebruik van staafvormige silicadeeltjes. Veith denkt dat zijn bolvormige deeltjes misschien gemakkelijker te maken zijn dan het staafvormige silica en een snellere respons en meer remkracht bij impact hebben dan pyrogeen silica.

Een van Veiths belangrijkste ontwikkelingen betreft het productieproces van de batterijen. Tijdens de fabricage van traditionele lithium-ionbatterijen, aan het einde van het productieproces wordt een elektrolyt in de batterijhouder gespoten, en dan is de batterij verzegeld. "Je kunt dat niet doen met een afschuifverdikkende elektrolyt, want zodra je het probeert te injecteren, het stolt, " zegt hij. De onderzoekers hebben dit opgelost door de silica op zijn plaats te zetten voordat de elektrolyt wordt toegevoegd. Ze zoeken een patent op hun techniek.

In de toekomst, Veith is van plan het systeem te verbeteren, zodat het deel van de batterij dat beschadigd is bij een crash solide blijft. terwijl de rest van de batterij zou blijven werken. Het team mikt in eerste instantie op toepassingen zoals dronebatterijen, maar uiteindelijk willen ze de automarkt betreden. Ze zijn ook van plan om een ​​grotere versie van de batterij te maken, die een kogel zou kunnen stoppen. Dat kan soldaten ten goede komen, die vaak 20 pond kogelvrije vesten en 20 pond batterijen bij zich hebben als ze op een missie zijn, zegt Veith. "De batterij zou fungeren als hun pantser, en dat zou de gemiddelde soldaat met ongeveer 20 pond verlichten."