Nanoingenjörer vid University of California San Diego utvecklade en säkerhetsfunktion som förhindrar litiummetallbatterier från att snabbt värmas upp och fatta eld i händelse av en intern kortslutning.

Teamet gjorde en smart justering av den del av batteriet som kallas separatorn, som fungerar som en barriär mellan anoden och katoden, så att det bromsar flödet av energi (och därmed värme) som byggs upp inuti batteriet när det kortsluts.

Forskarna, ledd av UC San Diego nanoteknikprofessor Ping Liu och hans Ph.D. student Matthew Gonzalez, beskriver sitt arbete i en tidning publicerad i Avancerade material .

"Vi försöker inte stoppa batterifel från att inträffa. Vi gör det mycket säkrare så att när det misslyckas, batteriet brinner inte katastrofalt eller exploderar, sa Gonzalez, vem är tidningens första författare.

Litiummetallbatterier misslyckas på grund av tillväxten av nålliknande strukturer som kallas dendriter på anoden efter upprepad laddning. Över tid, dendriter växer tillräckligt långa för att tränga igenom separatorn och skapa en bro mellan anoden och katoden, orsakar en intern kortslutning. När det händer, flödet av elektroner mellan de två elektroderna blir utom kontroll, vilket gör att batteriet omedelbart överhettas och slutar fungera.

Separatorn som UC San Diego-teamet utvecklade mildrar i huvudsak detta slag. Ena sidan är täckt av en tunn, delvis ledande väv av kolnanorör som fångar upp eventuella dendriter som bildas. När en dendrit punkterar separatorn och träffar denna väv, Elektroner har nu en väg genom vilken de långsamt kan rinna ut istället för att rusa rakt mot katoden på en gång.

Gonzalez jämförde den nya batteriseparatorn med ett spill vid en damm.

"När en damm börjar gå sönder, ett utlopp öppnas för att låta en del av vattnet rinna ut på ett kontrollerat sätt så att när dammen väl går sönder och rinner ut, det finns inte mycket vatten kvar för att orsaka en översvämning, " sa han. "Det är tanken med vår separator. Vi dränerar laddningen mycket, mycket långsammare och förhindra en "flod" av elektroner till katoden. När en dendrit fångas upp av separatorns ledande skikt, batteriet kan börja självurladdas så att när batteriet kortsluts, det finns inte tillräckligt med energi kvar för att vara farlig."

Andra batteriforskningsinsatser fokuserar på att bygga separatorer av material som är tillräckligt starka för att blockera dendriter från att slå igenom. Men ett problem med detta tillvägagångssätt är att det bara förlänger det oundvikliga, sa Gonzalez. Dessa separatorer behöver fortfarande ha porer som låter joner strömma igenom för att batteriet ska fungera. Som en konsekvens, när dendriterna så småningom kommer igenom, kortslutningen blir ännu värre.

Istället för att blockera dendriter, UC San Diego-teamet försökte mildra deras effekter.

I tester, litiummetallbatterier utrustade med den nya separatorn visade tecken på gradvis fel under 20 till 30 cykler. Under tiden, batterier med en normal (och något tjockare) separator upplevde plötsligt fel i en enda cykel.

"I ett verkligt scenario, du skulle inte ha någon förvarning om att batteriet kommer att gå sönder. Det kan vara bra en sekund, ta sedan eld eller kortslut helt nästa. Det är oförutsägbart, " sade Gonzalez. "Men med vår separator, du skulle få förvarning om att batteriet blir lite sämre, lite värre, lite värre, varje gång du laddar den."

Medan denna studie fokuserade på litiummetallbatterier, forskarna säger att separatorn också kan fungera i litiumjon och andra batterikemi. Teamet kommer att arbeta med att optimera separatorn för kommersiellt bruk. Ett provisoriskt patent har lämnats in av UC San Diego.