Spild for elektroner kunne forhindre lithiummetalbatterier i at antænde

Nanoingeniører ved University of California San Diego udviklede en sikkerhedsfunktion, der forhindrer lithiummetalbatterier i hurtigt at varme op og antænde i tilfælde af en intern kortslutning.

Holdet lavede en smart tweak til den del af batteriet, der kaldes separatoren, som fungerer som en barriere mellem anoden og katoden, så det bremser strømmen af ​​energi (og dermed varme), der opbygges inde i batteriet, når det kortslutter.

Forskerne, ledet af UC San Diego nanoingeniørprofessor Ping Liu og hans ph.d. studerende Matthew Gonzalez, detaljer om deres arbejde i et papir udgivet i Avancerede materialer .

"Vi forsøger ikke at forhindre batterifejl i at ske. Vi gør det meget mere sikkert, så når det fejler, batteriet brænder ikke katastrofalt eller eksploderer, " sagde Gonzalez, hvem er avisens første forfatter.

Lithiummetalbatterier fejler på grund af væksten af ​​nålelignende strukturer kaldet dendritter på anoden efter gentagen opladning. Over tid, dendritter vokser længe nok til at trænge igennem separatoren og danne en bro mellem anoden og katoden, forårsager en intern kortslutning. Når det sker, strømmen af ​​elektroner mellem de to elektroder kommer ud af kontrol, forårsager, at batteriet øjeblikkeligt overophedes og holder op med at fungere.

Den separator, som UC San Diego-teamet udviklede, blødgør i det væsentlige dette slag. Den ene side er dækket af en tynd, delvist ledende væv af kulstof nanorør, der opsnapper eventuelle dendritter, der dannes. Når en dendrit punkterer separatoren og rammer denne bane, elektroner har nu en vej, hvorigennem de langsomt kan dræne ud i stedet for at skynde sig direkte mod katoden på én gang.

Gonzalez sammenlignede den nye batteriseparator med et overløb ved en dæmning.

"Når en dæmning begynder at svigte, et overløb åbnes for at lade noget af vandet sive ud på en kontrolleret måde, så når dæmningen går i stykker og løber ud, der er ikke meget vand tilbage til at forårsage en oversvømmelse, " sagde han. "Det er ideen med vores separator. Vi dræner afgiften meget, meget langsommere og forhindre en 'oversvømmelse' af elektroner til katoden. Når en dendrit bliver opfanget af separatorens ledende lag, batteriet kan begynde at selvaflade, så når batteriet kortslutter, der er ikke nok energi tilbage til at være farlig."

Andre batteriforskningsindsatser fokuserer på at bygge separatorer ud af materialer, der er stærke nok til at blokere dendritter i at bryde igennem. Men et problem med denne tilgang er, at den blot forlænger det uundgåelige, sagde Gonzalez. Disse separatorer skal stadig have porer, der lader ioner strømme igennem, for at batteriet kan fungere. Som en konsekvens, når dendritterne til sidst kommer igennem, kortslutningen bliver endnu værre.

I stedet for at blokere dendritter, UC San Diego-teamet forsøgte at afbøde deres virkninger.

I test, lithiummetalbatterier udstyret med den nye separator viste tegn på gradvis fejl i løbet af 20 til 30 cyklusser. I mellemtiden batterier med en normal (og lidt tykkere) separator oplevede brat fejl i en enkelt cyklus.

"I et virkeligt brugsscenarie, du ville ikke have nogen forhåndsadvarsel om, at batteriet vil svigte. Det kunne være fint et sekund, så antændes eller kortsluttes det næste. Det er uforudsigeligt, " sagde Gonzalez. "Men med vores separator, du ville få forhåndsadvarsel om, at batteriet bliver en smule dårligere, lidt værre, lidt værre, hver gang du oplader den."

Mens denne undersøgelse fokuserede på lithiummetalbatterier, forskerne siger, at separatoren også kan fungere i lithium-ion og andre batterikemi. Teamet vil arbejde på at optimere separatoren til kommerciel brug. Et foreløbigt patent er blevet indgivet af UC San Diego.