Ett litiumjonbatteri som är säkert, har hög effekt och kan hålla i 1 miljon miles har utvecklats av ett team i Penn State's Battery and Energy Storage Technology (BEST) Center.

Elbatterier kräver vanligtvis en avvägning mellan säkerhet och energitäthet. Om batteriet har hög energi och effekttäthet, som krävs för uppförsbacke eller sammanslagning på motorvägen, då finns det en chans att batteriet kan ta eld eller explodera under fel förhållanden. Men material som har låg energi/effekttäthet, och därför hög säkerhet, tenderar att ha dåliga prestanda. Det finns inget material som uppfyller båda. Av den anledningen, batteritekniker väljer prestanda framför säkerhet.

"I det här arbetet bestämde vi oss för att vi skulle ta ett helt annat tillvägagångssätt, "sa Chao-Yang Wang, professor i mekanik, kemi- och materialvetenskap och teknik, och William E. Diefenderfer stol i maskinteknik, Penn State. "Vi delade upp vår strategi i två steg. Först ville vi bygga ett mycket stabilt batteri med mycket stabila material."

Deras andra steg var att införa omedelbar uppvärmning. För ungefär fyra år sedan, Wang utvecklade ett självuppvärmande batteri för att övervinna problemet med dålig prestanda i kalla klimat. Batteriet använder en elektrisk ström för att värma upp på några sekunder jämfört med de timmar en extern värmare kräver. Genom att värma batteriet från rumstemperatur till cirka 140 grader Fahrenheit - 60 grader Celsius - får batteriet en omedelbar boost i reaktiviteten eftersom kinetiklagen är att reaktiviteten ökar exponentiellt med temperaturen.

"Med dessa två steg kan jag få hög säkerhet när batteriet inte används och hög effekt när det är, " han sa.

Det självuppvärmande batteriet, kallas All Climate -batteriet, har antagits av flera bilföretag, inklusive BMW, och valdes att driva en flotta på 10, 000 fordon som kommer att användas för att färja människor mellan arenor vid nästa vinter -OS i Peking.

BEST Center testar batteriets säkerhet med hjälp av spikgenomföringsutrustning. De driver spiken in i cellen och orsakar kortslutning. De övervakar sedan cellen för temperatur och spänning. Temperaturskillnaden för den passiverade cellen var 212 grader F - 100 grader C - jämfört med en vanlig battericell som var 1, 832 grader F — 1000 grader C, en enorm förbättring.

Eftersom deras batterier är byggda med stabila material, de har ett långt cykelliv. Även vid 140 grader F, deras cykelnummer är över 4000, vilket översätter till över en miljon mil.

Teamets nästa projekt blir att utveckla ett solid-state batteri, som sannolikt kommer att kräva uppvärmning också.

Det aktuella arbetet visas i journalen Vetenskapliga framsteg och har titeln "En ny metod för både säkerhet och hög prestanda för litiumjonbatterier." Wangs medförfattare är forskarassistenter, Shanhai Ge, Yongjun Leng och Xiao-Guang Yang, och doktorander Teng Liu, Ryan Longchamps, Yue Gao och Daiwei Wang. Donghai Wang, professor i mekanik och kemiteknik, Penn State, deltog också i detta arbete.