Forskere opdager, at nøglen til sikrere batterier ligger på overfladen

Alle vil have mindre, billigere, længerevarende batterier. Find en, der også har større sikkerhed og stabilitet, og du har den hellige gral af bedre batterier.

Lithium-ion-batterier har været favoritten til smartphones, tabletter, bærbare computere, kameraer og genopladeligt elværktøj i årtier. Men de har også ulemper, såsom "termisk runaway", hvor et batteri svigter - eller går i brand - på grund af opbygning af for meget varme.

Årevis, forskere har ledt efter kilden til varmeproblemet, og hvordan man løser den tilhørende volatilitet. Efter tre års materialesimulering, syntese, karakterisering og batteriydelsestest, Forskere fra University of Texas i Dallas har opdaget, at problemet med lithium-ion-batterier ikke er inde i batterimaterialerne.

"Det viser sig, at kun overfladen af ​​batterikatodematerialerne er problemet, " sagde Dr. Kyeongjae "K.J." Cho, professor i materialevidenskab og teknik ved Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Indsiden er OK. Dette giver os et stort håb om, at vi kan finde ud af, hvordan vi kan stabilisere overfladen og gøre batterier med rigtig høj kapacitet til virkelighed."

Cho og hans kolleger beskrev deres resultater i den trykte udgave af tidsskriftet den 10. januar Avancerede energimaterialer .

Cho sagde, at batterier med høj energitæthed har en høj pris:øget volatilitet.

"Når et batteri konstant oplades og genoplades, materialet begynder at nedbrydes. Frigivet energi forårsager opvarmning, og batteriet brænder. Det er i bund og grund sikkerhedsproblemet, " han sagde.

Den gode nyhed?

"Kun overfladen af ​​batterimaterialerne er ustabil og usikker. Hvis det kan løses, det kan ordnes, " han sagde.

Under de konstante cyklusser med opladning og genopladning, iltgasser frigives fra overfladen af ​​batterimaterialer. Under den proces, stien for lithium-ion transport fra det indre til det ydre kan blive blokeret af metallisk nikkelstøv, som genereres sammen med gasudslip, sagde Cho.

"Når der er en blokering, der er ingen måde at overføre lithium-ioner på overfladen, der ønsker at komme ind og ud. Dette fører til hurtig reduktion af batterikapaciteten. Når mængden af ​​varme stiger, chancerne for brand og eksplosioner øges også, " han sagde.

Så simpelt, dog dyb, opdagelse på overfladen af ​​batterimaterialerne kan ændre den måde, producenterne bygger dem på. Cho foreslår, at der måske kan tilføjes en veldesignet oxidbelægning på batterioverfladen.

"Ændringer kan føre til, at en afgift opretholdes i længere tid, " Cho sagde. "Dette er problemet, industrien forsøger at løse lige nu for den næste generation af lithium-ion-batterier. Det er meget spændende, og vi arbejder på næste fase."

Fantai Kong Ph.D.'17, hovedforfatter af undersøgelsen og Chos tidligere studerende, er senioringeniør hos Hunt Energy Enterprises i Dallas, der arbejder med storskala energilagring og materialeprojekter. Han sagde, at løsning af varmeproblemet i batterier kunne føre til en 20-30 procent højere kapacitet.

"Vi er lige ved tærsklen til kommerciel levedygtighed. Der kunne være et kommercielt produkt om et par år, " sagde Kong.

Baseret på de nye resultater, Cho sagde, at der er en vis interesse i industrien i at arbejde med UT Dallas-gruppen om næste generations katodematerialer til batterier til elektriske køretøjer. Chos gruppe samarbejder også med U.S. Naval Research Laboratory om et opfølgende forskningsprojekt for at øge kapaciteten og sikkerheden af ​​katodematerialer.