Lithiumbatterijen zorgen ervoor dat elektrische voertuigen honderden kilometers kunnen afleggen op één lading. Hun capaciteit voor energieopslag is bekend, maar dat geldt ook voor hun neiging om af en toe in brand te vliegen - een gebeurtenis die bij batterijonderzoekers bekend staat als 'thermische wegloper'. Deze branden treden het vaakst op wanneer de batterijen oververhit raken of snel draaien. Met elk jaar meer en meer elektrische voertuigen op de weg, batterijtechnologie moet worden aangepast om de kans op deze gevaarlijke en catastrofale branden te verkleinen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois aan het Chicago College of Engineering melden dat grafeen - wondermateriaal van de 21e eeuw - de zuurstof uit lithiumbatterijbranden kan halen. Ze rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

De redenen waarom lithiumbatterijen vlam vatten, zijn onder meer snel fietsen of opladen en ontladen, en hoge temperaturen in de batterij. Deze omstandigheden kunnen ervoor zorgen dat de kathode in de batterij, die in het geval van de meeste lithiumbatterijen een lithiumbevattend oxide is, meestal lithiumkobaltoxide - om te ontbinden en zuurstof af te geven. Als de zuurstof zich vermengt met andere ontvlambare producten die vrijkomen door ontleding van de elektrolyt onder voldoende hoge hitte, zelfontbranding kan optreden.

"We dachten dat als er een manier was om te voorkomen dat de zuurstof de kathode verlaat en zich vermengt met andere ontvlambare producten in de batterij, we de kans op brand kunnen verkleinen, " zei Reza Shahbazian-Yassar, universitair hoofddocent mechanische en industriële techniek aan het UIC College of Engineering en corresponderende auteur van het papier.

Het blijkt dat een materiaal waar Shahbazian-Yassar heel goed mee bekend is, een perfecte oplossing voor dit probleem bood. Dat materiaal is grafeen - een superdun laagje koolstofatomen met unieke eigenschappen. Shahbazian-Yassar en zijn collega's hadden eerder grafeen gebruikt om lithiumopbouw op elektroden in lithium-metaalbatterijen te moduleren.

Shahbazian-Yassar en zijn collega's wisten dat grafeenplaten ondoordringbaar zijn voor zuurstofatomen. Grafeen is ook sterk, flexibel en kan elektrisch geleidend worden gemaakt. Shahbazian-Yassar en Soroosh Sharifi-Asl, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde en industriële techniek aan UIC en hoofdauteur van het papier, dacht dat als ze heel kleine deeltjes van de lithium-kobaltoxide-kathode van een lithiumbatterij in grafeen wikkelden, het kan voorkomen dat zuurstof ontsnapt.

Eerst, de onderzoekers veranderden het grafeen chemisch om het elektrisch geleidend te maken. Volgende, ze wikkelden de kleine deeltjes lithium-kobaltoxide-kathode-elektrode in het geleidende grafeen.

Toen ze met behulp van elektronenmicroscopie naar de in grafeen gewikkelde lithium-kobaltoxidedeeltjes keken, ze zagen dat de afgifte van zuurstof onder hoge hitte aanzienlijk was verminderd in vergelijking met onverpakte deeltjes.

Volgende, ze bonden de omwikkelde deeltjes aan elkaar met een bindmateriaal om een ​​bruikbare kathode te vormen, en verwerkte het in een lithium-metaalbatterij. Toen ze de vrijgekomen zuurstof maten tijdens het fietsen van de batterij, ze zagen zelfs bij zeer hoge spanningen bijna geen zuurstof ontsnappen uit kathoden. De lithium-metaalbatterij bleef goed presteren, zelfs na 200 cycli.

"De verpakte kathodebatterij verloor slechts ongeveer 14% van zijn capaciteit na snel fietsen in vergelijking met een conventionele lithium-metaalbatterij waar de prestaties onder dezelfde omstandigheden met ongeveer 45% daalden, ' zei Sharifi-Asl.

"Grafeen is het ideale materiaal om de afgifte van zuurstof in de elektrolyt te blokkeren, " zei Shahbazian-Yassar. "Het is ondoordringbaar voor zuurstof, elektrisch geleidend, flexibel, en is sterk genoeg om de omstandigheden in de batterij te weerstaan. Het is slechts een paar nanometer dik, dus er zou geen extra massa aan de batterij worden toegevoegd. Ons onderzoek toont aan dat het gebruik ervan in de kathode de afgifte van zuurstof op betrouwbare wijze kan verminderen en een manier zou kunnen zijn om het risico op brand in deze batterijen - die alles van onze telefoons tot onze auto's van stroom voorzien - aanzienlijk te verminderen."