Litiumjonbatterier som vanligtvis används i hemelektronik är ökända för att brinna i lågor när de skadas eller är felaktigt förpackade. Dessa incidenter får ibland allvarliga konsekvenser, inklusive brännskador, husbränder och minst en flygolycka. Inspirerad av det konstiga beteendet hos vissa vätskor som stelnar vid stötar, forskare har utvecklat ett praktiskt och billigt sätt att förhindra dessa bränder.

De kommer att presentera sina resultat idag vid det 256:e nationella mötet och utställningen av American Chemical Society (ACS).

"I ett litiumjonbatteri, en tunn plastbit separerar de två elektroderna, "Gabriel Veith, Ph.D., säger. "Om batteriet är skadat och plastskiktet misslyckas, elektroderna kan komma i kontakt och orsaka att batteriets flytande elektrolyt tar eld. "

För att göra dessa batterier säkrare, vissa forskare använder istället en icke brandfarlig, fast elektrolyt. Men dessa solid-state-batterier kräver betydande omformning av den nuvarande produktionsprocessen, säger Veith. Som ett alternativ, hans team blandar en tillsats i den konventionella elektrolyten för att skapa en slagtålig elektrolyt. Den stelnar när den träffas, förhindra att elektroderna berörs om batteriet skadas under ett fall eller krasch. Om elektroderna inte vidrör varandra, batteriet tar inte eld. Ännu bättre, att införliva tillsatsen skulle endast kräva mindre justeringar av den konventionella batteritillverkningsprocessen.

Projektets eureka -ögonblick kom när Veith och hans barn lekte med en blandning av majsstärkelse och vatten som kallas oobleck. "Om du lägger blandningen på en kakfat, det flyter som en vätska tills du börjar peta på det, och då blir det en solid, säger Veith, som är baserad på Oak Ridge National Laboratory och är projektets huvudutredare. Efter att trycket har tagits bort, ämnet blir flytande igen. Veith insåg att han kunde utnyttja detta reversibla "skjuvförtjockning"-beteende för att göra batterier säkrare.

Denna egenskap beror på en kolloid, som är en suspension av små, fasta partiklar i en vätska. I fallet med oobleck, kolloiden består av majsstärkelsepartiklar suspenderade i vatten. För batterikolloiden, Veith och hans kollegor vid Oak Ridge och University of Rochester använde kiseldioxid upphängd i vanliga flytande elektrolyter för litiumjonbatterier. Vid påverkan, kiseldioxidpartiklarna klumpar ihop sig och blockerar flödet av vätskor och joner, han förklarar. Forskarna använde perfekt sfäriska, 200 nanometer-diameter partiklar av kiseldioxid, eller i huvudsak en superfin sand. "Om du har den mycket enhetliga partikelstorleken, partiklarna dispergerar homogent i elektrolyten, och det fungerar fantastiskt bra, " säger Veith. "Om de inte är homogent stora, då blir vätskan mindre trögflytande vid stöten, och det är dåligt."

Några andra labb har studerat skjuvförtjockning för att göra batterier säkrare. Ett team rapporterade tidigare om forskning med "fumed" kiseldioxid, som består av små oregelbundna partiklar av kiseldioxid. En annan grupp rapporterade nyligen om effekten av att använda stavformade kiseldioxidpartiklar. Veith tror att hans sfäriska partiklar kan vara lättare att tillverka än den stavformade kiseldioxiden och har en snabbare respons och mer stoppkraft vid stötar än pyrogen kiseldioxid.

En av Veiths stora framsteg är tillverkningsprocessen för batterierna. Vid tillverkning av traditionella litiumjonbatterier, en elektrolyt sprutas in i batterihöljet i slutet av produktionsprocessen, och sedan förseglas batteriet. "Du kan inte göra det med en skjuvförtjockande elektrolyt eftersom den minut du försöker injicera den, det stelnar, " säger han. Forskarna löste detta genom att sätta kiseldioxiden på plats innan de tillsatte elektrolyten. De söker patent på sin teknik.

I framtiden, Veith planerar att förbättra systemet så att den del av batteriet som skadats i en krasch förblir solid, medan resten av batteriet skulle fortsätta att fungera. Teamet siktar initialt på applikationer som drönarbatterier, men de skulle så småningom vilja komma in på fordonsmarknaden. De planerar också att göra en större version av batteriet, som skulle kunna stoppa en kula. Det kan gynna soldater, som ofta bär 20 pund kroppsskydd och 20 pund batterier när de är på uppdrag, säger Veith. "Batteriet skulle fungera som deras rustning, och det skulle lätta den genomsnittliga soldaten med cirka 20 pund."