Grafencoating kan hjælpe med at forhindre brand i lithiumbatterier

Lithium-batterier er det, der gør det muligt for elektriske køretøjer at køre flere hundrede kilometer på en opladning. Deres kapacitet til energilagring er velkendt, men det samme er deres tendens til lejlighedsvis at gå i brand - en hændelse kendt af batteriforskere som "termisk løbsk". Disse brande opstår oftest, når batterierne overophedes eller cykler hurtigt. Med flere og flere elbiler på vejene hvert år, batteriteknologi skal tilpasses for at reducere sandsynligheden for disse farlige og katastrofale brande.

Forskere fra University of Illinois ved Chicago College of Engineering rapporterer, at grafen - undermateriale fra det 21. århundrede - kan tage ilt ud af litiumbatterier. De rapporterer deres resultater i journalen Avancerede funktionelle materialer .

Årsagerne til, at lithiumbatterier går i brand omfatter hurtig cykling eller opladning og afladning, og høje temperaturer i batteriet. Disse forhold kan forårsage katoden inde i batteriet - som i tilfældet med de fleste lithiumbatterier er et lithiumholdigt oxid, sædvanligvis lithium cobalt oxid - for at nedbryde og frigive ilt. Hvis ilten forenes med andre brændbare produkter, der afgives ved nedbrydning af elektrolytten under tilstrækkelig høj varme, spontan forbrænding kan forekomme.

"Vi troede, at hvis der var en måde at forhindre ilten i at forlade katoden og blande sig med andre brændbare produkter i batteriet, vi kan reducere risikoen for, at der opstår brand, " sagde Reza Shahbazian-Yassar, lektor i maskin- og industriteknik ved UIC College of Engineering og tilsvarende forfatter til papiret.

Det viser sig, at et materiale, Shahbazian-Yassar er meget fortrolig med, gav en perfekt løsning på dette problem. Det materiale er grafen - et supertyndt lag af kulstofatomer med unikke egenskaber. Shahbazian-Yassar og hans kolleger havde tidligere brugt grafen til at hjælpe med at modulere lithiumopbygning på elektroder i lithiummetalbatterier.

Shahbazian-Yassar og hans kolleger vidste, at grafenplader er uigennemtrængelige for iltatomer. Grafen er også stærkt, fleksibel og kan laves til at være elektrisk ledende. Shahbazian-Yassar og Soroosh Sharifi-Asl, en kandidatstuderende i maskin- og industriteknik ved UIC og hovedforfatter af papiret, tænkte, at hvis de pakkede meget små partikler af lithium-koboltoxid-katoden i et lithiumbatteri ind i grafen, det kan forhindre ilt i at slippe ud.

Først, forskerne kemisk ændrede grafenet for at gøre det elektrisk ledende. Næste, de pakkede de små partikler af lithium-koboltoxid-katodeelektrode ind i den ledende grafen.

Da de så på de grafenindpakkede lithium-koboltoxidpartikler ved hjælp af elektronmikroskopi, de så, at frigivelsen af ​​ilt under høj varme blev reduceret betydeligt sammenlignet med uindpakkede partikler.

Næste, de bandt de indpakkede partikler sammen med et bindemateriale for at danne en brugbar katode, og indbygget det i et lithiummetalbatteri. Da de målte frigivet ilt under battericykling, de så næsten ingen ilt slippe ud fra katoder selv ved meget høje spændinger. Litiummetalbatteriet fortsatte med at fungere godt, selv efter 200 cyklusser.

"Det indpakkede katodebatteri mistede kun omkring 14% af sin kapacitet efter hurtig cykling sammenlignet med et konventionelt litiummetalbatteri, hvor ydelsen var nede omkring 45% under de samme forhold, "Sagde Sharifi-Asl.

"Graphen er det ideelle materiale til at blokere frigivelse af ilt i elektrolytten, " sagde Shahbazian-Yassar. "Det er uigennemtrængeligt for ilt, elektrisk ledende, fleksibel, og er stærk nok til at modstå forholdene i batteriet. Det er kun et par nanometer tykt, så der ville ikke blive tilføjet ekstra masse til batteriet. Vores forskning viser, at dens brug i katoden pålideligt kan reducere frigivelsen af ​​ilt og kunne være en måde, hvorpå risikoen for brand i disse batterier - som driver alt fra vores telefoner til vores biler - kan reduceres betydeligt."