Medan litiumjonbatterier, används ofta i mobila enheter från mobiltelefoner till bärbara datorer, har en av de längsta livslängden för kommersiella batterier idag, de har också legat bakom ett antal senaste sammanbrott och bränder på grund av kortslutning i mobila enheter. I hopp om att förhindra fler av dessa farliga fel har forskare vid Drexel University utvecklat ett recept som kan göra elektrolytlösning-en nyckelkomponent i de flesta batterier-till ett skydd mot den kemiska processen som leder till batterirelaterade katastrofer.

Yury Gogotsi, Doktorsexamen, Framstående universitet och Bachprofessor vid Engineering College, och hans forskargrupp från Institutionen för materialvetenskap och teknik, publicerade nyligen sitt arbete - med titeln "Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites" - i tidningen Naturkommunikation . I det, de beskriver en process genom vilken nanodiamanter - små diamantpartiklar 10, 000 gånger mindre än diametern på ett hår - begränsa den elektrokemiska avsättningen, kallas plätering, som kan leda till farlig kortslutning av litiumjonbatterier.

Eftersom batterier används och laddas, den elektrokemiska reaktionen resulterar i rörelse av joner mellan de två elektroderna i ett batteri, vilket är kärnan i en elektrisk ström. Över tid, denna omplacering av joner kan skapa tendril-liknande uppbyggnader-nästan som stalaktiter som bildas inuti en grotta. Dessa batteriuppbyggnader, kallas dendriter, är en av huvudorsakerna till litiumbatterifel. När dendriter bildas inuti batteriet med tiden, de kan nå den punkt där de trycker igenom avskiljaren, en porös polymerfilm som hindrar den positivt laddade delen av ett batteri från att röra den negativt laddade delen. När avskiljaren bryts, en kortslutning kan uppstå, vilket också kan leda till brand eftersom elektrolytlösningen i de flesta litiumjonbatterier är mycket brandfarlig.

För att undvika dendritbildning och minimera risken för brand, nuvarande batteridesigner inkluderar en elektrod av grafit fylld med litium istället för rent litium. Användningen av grafit som värd för litium förhindrar bildning av dendriter. Men litiuminterkalerad grafit lagrar också cirka 10 gånger mindre energi än rent litium. Genombrottet från Gogotsis team innebär att en stor ökning av energilagring är möjlig eftersom dendritbildning kan elimineras i rena litiumelektroder.

"Batterisäkerhet är en nyckelfråga för denna forskning, "Gogotsi sa." Små primära batterier i klockor använder litiumanoder, men de släpps bara ut en gång. När du börjar ladda dem igen och igen, dendriter börjar växa. Det kan finnas flera säkra cykler, men förr eller senare kommer en kortslutning att hända. Vi vill eliminera eller åtminstone, minimera den möjligheten. "

Gogotsi och hans medarbetare från Tsinghua University i Peking, och Hauzhong University of Science and Technology i Wuhan, Kina, fokuserade sitt arbete på att göra litiumanoder mer stabila och litiumplätering mer enhetlig så att dendriter inte växer.

De gör detta genom att tillsätta nanodiamanter till elektrolytlösningen i ett batteri. Nanodiamanter har använts i galvaniseringsindustrin under en tid som ett sätt att göra metallbeläggningar mer enhetliga. Medan de är mycket, mycket mindre - och billigare - än de diamanter som du hittar i ett juvelerares fall, nanodiamanter behåller fortfarande den kostsamma strukturen och formen på sina dyra förfäder. När de deponeras, de glider naturligtvis ihop för att bilda en slät yta.

Forskarna fann att denna egenskap var oerhört användbar för att eliminera dendritbildning. I tidningen, de förklarar att litiumjoner lätt kan fästa vid nanodiamanter, så när de pläterar elektroden gör de det på samma ordnade sätt som de nanodiamondpartiklar som de är kopplade till. De rapporterar i tidningen att blandning av nanodiamanter i elektrolytlösningen av ett litiumjonbatteri bromsar dendritbildningen till noll genom 100 laddningsurladdningscykler.

Om du tänker på det som en omgång Tetris, den hög med felaktiga block som tummar farligt nära "game over" motsvarar en dendrit. Att lägga till nanodiamanter till blandningen är ungefär som att använda en fuskkod som för varje nytt block in på rätt plats för att slutföra en linje och förhindra att ett hotfullt torn bildas.

Gogotsi noterar att hans grupps upptäckt bara är början på en process som så småningom kan se elektrolyttillsatser, som nanodiamanter, används ofta för att producera säkra litiumbatterier med hög energitäthet. De första resultaten visar redan en stabil laddningsurladdningscykel så länge som 200 timmar, som är tillräckligt lång för användning i vissa industriella eller militära tillämpningar, men inte nästan tillräckligt för batterier som används i bärbara datorer eller mobiltelefoner. Forskare måste också testa ett stort antal battericeller under tillräckligt lång tid under olika fysiska förhållanden och temperaturer för att säkerställa att dendriter aldrig kommer att växa.

"Det är potentiellt spelförändrande, men det är svårt att vara 100 procent säker på att dendriter aldrig kommer att växa, "Gogotsi sa." Vi räknar med att den första användningen av vår föreslagna teknik kommer att vara i mindre kritiska applikationer - inte i mobiltelefoner eller bilbatterier. För att säkerställa säkerheten, tillsatser till elektrolyter, såsom nanodiamanter, måste kombineras med andra försiktighetsåtgärder, t.ex. användning av icke-brandfarliga elektrolyter, säkrare elektrodmaterial och starkare separatorer. "