Opskrift på sikrere batterier - tilføj bare diamanter

Mens lithium-ion-batterier, udbredt i mobile enheder fra mobiltelefoner til bærbare computere, har en af ​​de længste levetider for kommercielle batterier i dag, de har også stået bag en række nylige nedsmeltninger og brande på grund af kortslutning i mobile enheder. I håb om at forhindre flere af disse farlige funktionsfejl har forskere ved Drexel University udviklet en opskrift, der kan gøre elektrolytopløsningen - en nøglekomponent i de fleste batterier - til en beskyttelse mod den kemiske proces, der fører til batterirelaterede katastrofer.

Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University og Bach professor i College of Engineering, og hans forskerhold fra Institut for Materialevidenskab og Teknik, for nylig udgivet deres arbejde - med titlen "Nanodiamonds suppress Growth of Lithium Dendrites" - i tidsskriftet Naturkommunikation . I det, de beskriver en proces, hvorved nanodiamanter - bittesmå diamantpartikler 10, 000 gange mindre end diameteren af ​​et hår – begrænse den elektrokemiske aflejring, kaldet plating, som kan føre til farlig kortslutning af lithium-ion-batterier.

Når batterier bruges og oplades, den elektrokemiske reaktion resulterer i bevægelser af ioner mellem de to elektroder i et batteri, som er essensen af ​​en elektrisk strøm. Over tid, denne repositionering af ioner kan skabe ranke-lignende opbygninger - næsten som drypsten, der dannes inde i en hule. Disse batteriopbygninger, kaldet dendritter, er en af ​​hovedårsagerne til funktionsfejl på lithiumbatteriet. Da dendritter dannes inde i batteriet over tid, de kan nå det punkt, hvor de skubber gennem separatoren, en porøs polymerfilm, der forhindrer den positivt ladede del af et batteri i at røre den negativt ladede del. Når separatoren er brudt, der kan opstå en kortslutning, hvilket også kan føre til brand, da elektrolytopløsningen i de fleste lithium-ion-batterier er meget brandfarlig.

For at undgå dendritdannelse og minimere sandsynligheden for brand, nuværende batteridesign inkluderer en elektrode lavet af grafit fyldt med lithium i stedet for rent lithium. Brugen af ​​grafit som vært for lithium forhindrer dannelsen af ​​dendritter. Men lithium intercalated grafit lagrer også omkring 10 gange mindre energi end ren lithium. Gennembruddet fra Gogotsis team betyder, at en stor stigning i energilagring er mulig, fordi dendritdannelse kan elimineres i rene lithiumelektroder.

"Batterisikkerhed er et nøglespørgsmål for denne forskning, " sagde Gogotsi. "Små primære batterier i ure bruger lithiumanoder, men de udskrives kun én gang. Når du begynder at oplade dem igen og igen, dendritter begynder at vokse. Der kan være flere sikre cyklusser, men før eller siden vil der ske en kortslutning. Vi ønsker at fjerne eller, i det mindste, minimere denne mulighed."

Gogotsi og hans samarbejdspartnere fra Tsinghua University i Beijing, og Hauzhong University of Science and Technology i Wuhan, Kina, fokuserede deres arbejde på at gøre lithiumanoder mere stabile og lithiumplettering mere ensartet, så dendritter ikke vokser.

De gør dette ved at tilføje nanodiamanter til elektrolytopløsningen i et batteri. Nanodiamanter er blevet brugt i galvaniseringsindustrien i nogen tid som en måde at gøre metalbelægninger mere ensartede på. Mens de er mange, meget mindre – og billigere – end de diamanter, du ville finde i en juvelerkasse, nanodiamanter bevarer stadig den regelmæssige struktur og form af deres dyre stamfædre. Når de er deponeret, de glider naturligt sammen for at danne en glat overflade.

Forskerne fandt, at denne egenskab var yderst nyttig til at eliminere dendritdannelse. I avisen, de forklarer, at lithiumioner nemt kan binde sig til nanodiamanter, så når de pletterer elektroden, gør de det på samme velordnede måde som nanodiamantpartiklerne, som de er knyttet til. De rapporterer i avisen, at blanding af nanodiamanter i elektrolytopløsningen af ​​et lithium-ion-batteri bremser dendritdannelsen til nul gennem 100 opladnings-afladningscyklusser.

Hvis du tænker på det som et spil Tetris, den bunke af uoverensstemmende blokke, der går faretruende tæt på "game over", svarer til en dendrit. At tilføje nanodiamanter til blandingen er lidt som at bruge en snydekode, der skubber hver ny blok ind på det rigtige sted for at færdiggøre en linje og forhindre et truende tårn i at danne sig.

Gogotsi bemærker, at hans gruppes opdagelse kun er begyndelsen på en proces, der i sidste ende kunne se elektrolyttilsætningsstoffer, som nanodiamanter, udbredt til fremstilling af sikre lithiumbatterier med høj energitæthed. De første resultater viser allerede stabil opladnings-afladningscyklus i så længe som 200 timer, som er lang nok til brug i nogle industrielle eller militære applikationer, men ikke nær tilstrækkeligt til batterier, der bruges i bærbare computere eller mobiltelefoner. Forskere skal også teste et stort antal battericeller over en lang nok periode under forskellige fysiske forhold og temperaturer for at sikre, at dendritter aldrig vil vokse.

"Det er potentielt spilskiftende, men det er svært at være 100 procent sikker på, at dendritter aldrig vil vokse, " sagde Gogotsi. "Vi forventer, at den første brug af vores foreslåede teknologi vil være i mindre kritiske applikationer – ikke i mobiltelefoner eller bilbatterier. For at sikre sikkerheden, tilsætningsstoffer til elektrolytter, såsom nanodiamanter, skal kombineres med andre forholdsregler, såsom brug af ikke-brændbare elektrolytter, sikrere elektrodematerialer og stærkere separatorer."