Disse lithium-ion-batterier kan ikke antændes, fordi de hærder ved stød

Lithium-ion-batterier, der almindeligvis bruges i forbrugerelektronik, er berygtede for at bryde i flammer, når de er beskadiget eller forkert emballeret. Disse hændelser har nogle gange alvorlige konsekvenser, herunder forbrændinger, husbrande og mindst ét ​​flystyrt. Inspireret af den mærkelige opførsel af nogle væsker, der størkner ved stød, forskere har udviklet en praktisk og billig måde at hjælpe med at forhindre disse brande på.

De vil præsentere deres resultater i dag på det 256. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

"I et lithium-ion batteri, et tyndt stykke plastik adskiller de to elektroder, "Gabriel Veith, Ph.D., siger. "Hvis batteriet er beskadiget, og plastiklaget svigter, elektroderne kan komme i kontakt og få batteriets flydende elektrolyt til at antændes."

For at gøre disse batterier sikrere, nogle forskere bruger i stedet en ikke-brændbar, fast elektrolyt. Men disse solid-state batterier kræver betydelig omstilling af den nuværende produktionsproces, siger Veith. Som et alternativ, hans team blander et additiv i den konventionelle elektrolyt for at skabe en slagfast elektrolyt. Det størkner, når det rammes, forhindrer elektroderne i at røre ved, hvis batteriet bliver beskadiget under et fald eller styrt. Hvis elektroderne ikke rører hinanden, batteriet antændes ikke. Endnu bedre, inkorporering af additivet ville kun kræve mindre justeringer af den konventionelle batterifremstillingsproces.

Projektets eureka-øjeblik kom, da Veith og hans børn legede med en blanding af majsstivelse og vand kendt som oobleck. "Hvis du lægger blandingen på en kagebakke, det flyder som en væske, indtil du begynder at stikke i det, og så bliver det et solidt, " siger Veith, som er baseret på Oak Ridge National Laboratory og er projektets hovedefterforsker. Efter at trykket er fjernet, stoffet bliver flydende igen. Veith indså, at han kunne udnytte denne reversible "shear thickening"-adfærd til at gøre batterier mere sikre.

Denne egenskab afhænger af et kolloid, som er en suspension af bittesmå, faste partikler i en væske. I tilfælde af oobleck, kolloidet består af majsstivelsespartikler suspenderet i vand. For batterikolloidet, Veith og hans kolleger ved Oak Ridge og University of Rochester brugte silica suspenderet i almindelige flydende elektrolytter til lithium-ion-batterier. Ved påvirkning, silicapartiklerne klumper sig sammen og blokerer strømmen af ​​væsker og ioner, forklarer han. Forskerne brugte perfekt sfærisk, 200 nanometer-diameter partikler af silica, eller i det væsentlige et superfint sand. "Hvis du har den meget ensartede partikelstørrelse, partiklerne fordeler sig homogent i elektrolytten, og det fungerer fantastisk, " siger Veith. "Hvis de ikke er ensartede, så bliver væsken mindre tyktflydende ved stød, og det er slemt."

Et par andre laboratorier har undersøgt fortykkelse for at gøre batterier mere sikre. Et hold har tidligere rapporteret om forskning med "pyntet" silica, som består af bittesmå uregelmæssige partikler af silica. En anden gruppe rapporterede for nylig om effekten af ​​at bruge stavformede silicapartikler. Veith mener, at hans sfæriske partikler kan være lettere at lave end den stavformede silica og have en hurtigere reaktion og mere bremsekraft ved stød end røget silica.

Et af Veiths store fremskridt involverer produktionsprocessen for batterierne. Under fremstilling af traditionelle lithium-ion-batterier, en elektrolyt sprøjtes ind i batterikassen ved slutningen af ​​produktionsprocessen, og så er batteriet forseglet. "Du kan ikke gøre det med en forskydningsfortykkende elektrolyt, fordi i det øjeblik du prøver at injicere den, det størkner, " siger han. Forskerne løste dette ved at sætte silicaen på plads, før de tilsatte elektrolytten. De søger patent på deres teknik.

I fremtiden, Veith planlægger at forbedre systemet, så den del af batteriet, der er beskadiget ved et styrt, forbliver solid, mens resten af ​​batteriet ville fortsætte med at virke. Holdet sigter i første omgang efter applikationer som dronebatterier, men de vil i sidste ende gerne ind på bilmarkedet. De planlægger også at lave en større version af batteriet, som ville være i stand til at stoppe en kugle. Det kunne gavne soldater, som ofte bærer 20 pund kropsrustning og 20 pund batterier, når de er på mission, siger Veith. "Batteriet ville fungere som deres rustning, og det ville lette den gennemsnitlige soldat med omkring 20 pund."