Skudsikkert batteri:Kevlar-membran for sikrere, tyndere lithium genopladelige

Ny batteriteknologi fra University of Michigan skulle være i stand til at forhindre den slags brande, der satte Boeing 787 Dreamliners til grund i 2013.

Innovationen er en avanceret barriere mellem elektroderne i et lithium-ion batteri.

Lavet med nanofibre ekstraheret fra Kevlar, det hårde materiale i skudsikre veste, barrieren kvæler væksten af ​​metalranker, der kan blive uønskede veje for elektrisk strøm.

Et U-M-team af forskere grundlagde også Ann Arbor-baserede Elegus Technologies for at bringe denne forskning fra laboratoriet til markedet. Masseproduktion forventes at begynde i fjerde kvartal 2016.

"I modsætning til andre ultrastærke materialer såsom carbon nanorør, Kevlar er en isolator, sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i ingeniørvidenskab. "Denne egenskab er perfekt til separatorer, der skal forhindre kortslutning mellem to elektroder."

Lithium-ion-batterier fungerer ved at flytte lithium-ioner fra den ene elektrode til den anden. Dette skaber en ladningsubalance, og da elektroner ikke kan gå gennem membranen mellem elektroderne, de går i stedet igennem et kredsløb og gør noget nyttigt på vejen.

Men hvis hullerne i membranen er for store, lithium atomerne kan bygge sig selv ind i bregne-lignende strukturer, kaldet dendritter, som til sidst stikker gennem membranen. Hvis de når den anden elektrode, elektronerne har en vej inde i batteriet, kortslutning af kredsløbet. Sådan menes batteribrandene på Boeing 787 at være startet.

"Bregneformen er særlig svær at stoppe på grund af dens nanoskala spids, " sagde Siu On Tung, en kandidatstuderende i Kotovs laboratorium, samt teknologichef hos Elegus. "Det var meget vigtigt, at fibrene dannede mindre porer end spidsstørrelsen."

Mens bredden af ​​porer i andre membraner er et par hundrede nanometer, eller et par hundrede tusindedele af en centimeter, porerne i membranen udviklet ved U-M er 15 til 20 nanometer på tværs. De er store nok til at lade individuelle lithiumioner passere, men lille nok til at blokere spidserne på 20 til 50 nanometer af bregnestrukturerne.

Forskerne lavede membranen ved at lægge fibrene oven på hinanden i tynde plader. Denne metode holder de kædelignende molekyler i plastikken strakt ud, hvilket er vigtigt for god lithium-ion ledningsevne mellem elektroderne, sagde Tung.

"Det særlige ved dette materiale er, at vi kan gøre det meget tyndt, så vi kan få mere energi ind i den samme battericellestørrelse, eller vi kan formindske cellestørrelsen, " sagde Dan VanderLey, en ingeniør, der hjalp med at grundlægge Elegus gennem U-M's Master of Entrepreneurship-program. "Vi har set en masse interesse fra folk, der ønsker at lave tyndere produkter."

Tredive virksomheder har anmodet om prøver af materialet.

Kevlars varmemodstand kan også føre til sikrere batterier, da membranen har en bedre chance for at overleve en brand end de fleste membraner, der er i brug i øjeblikket.

Mens holdet er tilfredse med membranens evne til at blokere lithiumdendritterne, de leder i øjeblikket efter måder at forbedre strømmen af ​​løse lithium-ioner, så batterier kan oplades og frigive deres energi hurtigere.

Studiet, "En dendrit-undertrykkende fast ionleder fra aramid nanofibre, " vises online 27. januar in Naturkommunikation .