Nieuwe batterijtechnologie van de Universiteit van Michigan moet het soort branden kunnen voorkomen dat Boeing 787 Dreamliners in 2013 aan de grond zette.

De innovatie is een geavanceerde barrière tussen de elektroden in een lithium-ionbatterij.

Gemaakt met nanovezels gewonnen uit Kevlar, het taaie materiaal in kogelvrije vesten, de barrière verstikt de groei van metalen ranken die ongewenste paden voor elektrische stroom kunnen worden.

Een UM-team van onderzoekers heeft ook het op Ann Arbor gebaseerde Elegus Technologies opgericht om dit onderzoek van het laboratorium naar de markt te brengen. De massaproductie zal naar verwachting in het vierde kwartaal van 2016 beginnen.

"In tegenstelling tot andere ultrasterke materialen zoals koolstofnanobuisjes, Kevlar is een isolator, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka hoogleraar Engineering. "Deze eigenschap is perfect voor separatoren die kortsluiting tussen twee elektroden moeten voorkomen."

Lithium-ionbatterijen werken door lithiumionen van de ene elektrode naar de andere te pendelen. Dit zorgt voor een onbalans in de lading, en aangezien elektronen niet door het membraan tussen de elektroden kunnen gaan, ze gaan in plaats daarvan door een circuit en doen onderweg iets nuttigs.

Maar als de gaten in het membraan te groot zijn, de lithiumatomen kunnen zichzelf inbouwen in varenachtige structuren, dendrieten genoemd, die uiteindelijk door het membraan prikken. Als ze de andere elektrode bereiken, de elektronen hebben een pad in de batterij, het circuit kortsluiten. Dit is hoe de batterijvuren op de Boeing 787 zouden zijn begonnen.

"De varenvorm is bijzonder moeilijk te stoppen vanwege de punt op nanoschaal, " zei Siu On Tung, een afgestudeerde student in Kotov's lab, evenals chief technology officer bij Elegus. "Het was erg belangrijk dat de vezels kleinere poriën vormden dan de puntgrootte."

Terwijl de poriën in andere membranen enkele honderden nanometers zijn, of een paar honderdduizendsten van een centimeter, de poriën in het membraan ontwikkeld bij U-M hebben een diameter van 15 tot 20 nanometer. Ze zijn groot genoeg om individuele lithiumionen door te laten, maar klein genoeg om de 20 tot 50 nanometer punten van de varenstructuren te blokkeren.

De onderzoekers maakten het membraan door de vezels in dunne platen op elkaar te leggen. Deze methode houdt de kettingachtige moleculen in het plastic uitgerekt, wat belangrijk is voor een goede lithium-ion geleiding tussen de elektroden, zei Tung.

"Het bijzondere van dit materiaal is dat we het heel dun kunnen maken, zodat we meer energie in dezelfde batterijcelgrootte kunnen krijgen, of we kunnen de celgrootte verkleinen, " zei Dan VanderLey, een ingenieur die hielp bij het vinden van Elegus via het Master of Entrepreneurship-programma van UM. "We hebben veel interesse gezien van mensen die dunnere producten willen maken."

Dertig bedrijven hebben monsters van het materiaal opgevraagd.

De hittebestendigheid van Kevlar kan ook leiden tot veiligere batterijen, aangezien het membraan een grotere kans heeft om een ​​brand te overleven dan de meeste membranen die momenteel in gebruik zijn.

Hoewel het team tevreden is met het vermogen van het membraan om de lithiumdendrieten te blokkeren, ze zoeken momenteel naar manieren om de stroom van losse lithiumionen te verbeteren, zodat batterijen sneller kunnen opladen en hun energie kunnen vrijgeven.

De studie, "Een dendrietonderdrukkende vaste ionengeleider van aramide nanovezels, " verschijnt online op 27 januari in Natuurcommunicatie .