Terwijl lithium-ionbatterijen, veel gebruikt in mobiele apparaten van mobiele telefoons tot laptops, hebben tegenwoordig een van de langste levensduur van commerciële batterijen, ze zijn ook verantwoordelijk geweest voor een aantal recente kernsmeltingen en branden als gevolg van kortsluiting in mobiele apparaten. In de hoop meer van deze gevaarlijke storingen te voorkomen, hebben onderzoekers van de Drexel University een recept ontwikkeld dat een elektrolytoplossing - een belangrijk onderdeel van de meeste batterijen - kan veranderen in een beveiliging tegen het chemische proces dat leidt tot batterijgerelateerde rampen.

Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan het College of Engineering, en zijn onderzoeksteam van de afdeling Materials Science and Engineering, publiceerden onlangs hun werk - getiteld "Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites" - in het tijdschrift Natuurcommunicatie . In het, ze beschrijven een proces waarbij nanodiamanten - kleine diamantdeeltjes 10, 000 keer kleiner dan de diameter van een haar - beperk de elektrochemische afzetting, plating genoemd, dat kan leiden tot gevaarlijke kortsluiting van lithium-ionbatterijen.

Als batterijen worden gebruikt en opgeladen, de elektrochemische reactie resulteert in de beweging van ionen tussen de twee elektroden van een batterij, wat de essentie is van een elektrische stroom. Overuren, deze herpositionering van ionen kan leiden tot rankachtige ophopingen - bijna zoals stalactieten die zich in een grot vormen. Deze batterijophopingen, dendrieten genoemd, zijn een van de belangrijkste oorzaken van een storing in de lithiumbatterij. Naarmate dendrieten zich na verloop van tijd in de batterij vormen, ze kunnen het punt bereiken waar ze door de afscheider duwen, een poreuze polymeerfilm die voorkomt dat het positief geladen deel van een batterij het negatief geladen deel raakt. Wanneer de scheidingsteken wordt geschonden, er kan kortsluiting optreden, wat ook tot brand kan leiden, aangezien de elektrolytoplossing in de meeste lithium-ionbatterijen licht ontvlambaar is.

Om dendrietvorming te voorkomen en de kans op brand te minimaliseren, huidige batterijontwerpen omvatten één elektrode gemaakt van grafiet gevuld met lithium in plaats van puur lithium. Het gebruik van grafiet als gastheer voor lithium voorkomt de vorming van dendrieten. Maar lithium-geïntercaleerd grafiet slaat ook ongeveer 10 keer minder energie op dan puur lithium. De doorbraak van het team van Gogotsi betekent dat een grote toename van de energieopslag mogelijk is omdat dendrietvorming kan worden geëlimineerd in zuivere lithiumelektroden.

"Batterijveiligheid is een belangrijk punt voor dit onderzoek, "Zei Gogotsi. "Kleine primaire batterijen in horloges gebruiken lithiumanoden, maar ze worden maar één keer ontladen. Als je ze keer op keer begint op te laden, dendrieten beginnen te groeien. Er kunnen verschillende veilige cycli zijn, maar vroeg of laat zal er een kortsluiting plaatsvinden. We willen elimineren of, minstens, minimaliseer die mogelijkheid."

Gogotsi en zijn medewerkers van de Tsinghua Universiteit in Peking, en Hauzhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Wuhan, China, hun werk gericht op het stabieler maken van lithiumanoden en het uniformer maken van lithiumplaten, zodat dendrieten niet zullen groeien.

Ze doen dit door nanodiamanten toe te voegen aan de elektrolytoplossing in een batterij. Nanodiamanten worden al geruime tijd gebruikt in de galvaniseerindustrie om metaalcoatings uniformer te maken. Hoewel ze veel zijn, veel kleiner - en goedkoper - dan de diamanten die je in een juwelierszaak zou vinden, nanodiamanten behouden nog steeds de reguliere structuur en vorm van hun dure voorlopers. Wanneer ze worden gedeponeerd, ze schuiven van nature samen om een ​​glad oppervlak te vormen.

De onderzoekers vonden deze eigenschap buitengewoon nuttig voor het elimineren van dendrietvorming. In de krant, ze leggen uit dat lithiumionen zich gemakkelijk kunnen hechten aan nanodiamanten, dus wanneer ze de elektrode plateren, doen ze dat op dezelfde ordelijke manier als de nanodiamantdeeltjes waaraan ze zijn gekoppeld. Ze melden in de krant dat het mengen van nanodiamanten in de elektrolytoplossing van een lithium-ionbatterij de vorming van dendrieten tot nul vertraagt ​​gedurende 100 laad-ontlaadcycli.

Als je erover nadenkt als een spelletje Tetris, die stapel niet-overeenkomende blokken die gevaarlijk dicht bij "game over" komen, is het equivalent van een dendriet. Het toevoegen van nanodiamanten aan de mix is ​​als het gebruik van een cheatcode die elk nieuw blok op de juiste plaats schuift om een ​​regel te voltooien en te voorkomen dat er een dreigende toren wordt gevormd.

Gogotsi merkt op dat de ontdekking van zijn groep slechts het begin is van een proces dat uiteindelijk elektrolytadditieven zou kunnen zien, zoals nanodiamanten, veel gebruikt om veilige lithiumbatterijen met een hoge energiedichtheid te produceren. De eerste resultaten laten al een stabiele laad-ontlaadcyclus zien gedurende 200 uur, die lang genoeg is voor gebruik in sommige industriële of militaire toepassingen, maar lang niet voldoende voor batterijen die in laptops of mobiele telefoons worden gebruikt. Onderzoekers moeten ook een groot aantal batterijcellen testen gedurende een voldoende lange periode onder verschillende fysieke omstandigheden en temperaturen om ervoor te zorgen dat dendrieten nooit zullen groeien.

"Het is potentieel baanbrekend, maar het is moeilijk om 100 procent zeker te zijn dat dendrieten nooit zullen groeien, "Zei Gogotsi. "We verwachten dat het eerste gebruik van onze voorgestelde technologie in minder kritieke toepassingen zal zijn - niet in mobiele telefoons of autobatterijen. Om de veiligheid te garanderen, toevoegingen aan elektrolyten, zoals nanodiamanten, moeten worden gecombineerd met andere voorzorgsmaatregelen, zoals het gebruik van niet-ontvlambare elektrolyten, veiligere elektrodematerialen en sterkere afscheiders."