Iedereen wil kleiner, goedkoper, batterijen met een langere levensduur. Zoek er een die ook meer veiligheid en stabiliteit heeft, en je hebt de Heilige Graal van betere batterijen.

Lithium-ionbatterijen zijn de absolute favoriet voor smartphones, tabletten, laptops, camera's en oplaadbare elektrische gereedschappen voor decennia. Maar ze hebben ook nadelen, zoals "thermal runaway" waarbij een batterij faalt - of vlam vat - vanwege de opbouw van te veel warmte.

Voor jaren, onderzoekers hebben gezocht naar de bron van het warmteprobleem en hoe de bijbehorende volatiliteit kan worden opgelost. Na drie jaar materiaalsimulatie, synthese, karakterisering en batterijprestatietests, Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben ontdekt dat het probleem met lithium-ionbatterijen niet in de batterijmaterialen zit.

"Het blijkt dat alleen het oppervlak van de batterijkathodematerialen het probleem is, " zei Dr. Kyeongjae "K.J." Cho, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "De binnenkant is in orde. Dit geeft ons goede hoop dat we erachter kunnen komen hoe we het oppervlak kunnen stabiliseren en batterijen met een echt hoge capaciteit kunnen realiseren."

Cho en zijn collega's beschreven hun bevindingen in de gedrukte editie van 10 januari van het tijdschrift Geavanceerde energiematerialen .

Cho zei dat batterijen met een hoge energiedichtheid een hoge prijs hebben:verhoogde volatiliteit.

"Als een batterij constant wordt opgeladen en opgeladen, het materiaal begint te degraderen. Vrijkomende energie veroorzaakt verwarming, en de batterij vat vlam. Dat is in wezen het veiligheidsprobleem, " hij zei.

Het goede nieuws?

"Alleen het oppervlak van de batterijmaterialen is onstabiel en onveilig. Als dat kan worden aangepakt, het kan worden gerepareerd, " hij zei.

Tijdens de constante cycli van opladen en opladen, zuurstofgassen komen vrij van het oppervlak van batterijmaterialen. Tijdens dat proces, het pad voor het transport van lithium-ionen van binnen naar buiten kan worden geblokkeerd door metallisch nikkelstof, die wordt gegenereerd samen met het vrijkomen van gas, zei Cho.

"Als er een blokkade is, er is geen manier om lithium-ionen over te brengen aan de oppervlakte die in en uit willen komen. Dit leidt tot een snelle afname van de batterijcapaciteit. Naarmate de hoeveelheid warmte toeneemt, ook de kans op brand en explosies neemt toe, " hij zei.

Dat is simpel, maar diepgaand, ontdekking aan het oppervlak van de batterijmaterialen kan de manier veranderen waarop fabrikanten ze bouwen. Cho suggereert dat er misschien een goed ontworpen oxidecoating op het batterijoppervlak kan worden aangebracht.

"Wijzigingen kunnen ertoe leiden dat een heffing voor een langere periode in stand wordt gehouden, Cho zei. "Dit is het probleem dat de industrie nu probeert op te lossen voor de volgende generatie lithium-ionbatterijen. Het is erg spannend, en we werken aan de volgende fase."

Fantai Kong Ph.D.'17, hoofdauteur van de studie en Cho's voormalige student, is een senior engineer bij Hunt Energy Enterprises in Dallas en werkt aan grootschalige energieopslag- en materiaalprojecten. Hij zei dat het oplossen van het hitteprobleem in batterijen zou kunnen leiden tot een 20 tot 30 procent hogere capaciteit.

"We staan ​​op de drempel van commerciële levensvatbaarheid. Over een paar jaar kan er een commercieel product zijn, ' zei Kong.

Op basis van de nieuwe bevindingen, Cho zei dat er enige interesse van de industrie is om met de UT Dallas-groep samen te werken aan kathodematerialen van de volgende generatie voor accu's van elektrische voertuigen. Cho's groep werkt ook samen met het U.S. Naval Research Laboratory aan een vervolgonderzoeksproject om de capaciteit en veiligheid van kathodematerialen te vergroten.