Litiumbatterier är det som gör att elfordon kan åka flera hundra mil på en laddning. Deras kapacitet för energilagring är välkänd, men så är deras tendens att ibland ta eld - en händelse som är känd för batteriforskare som "termisk flykt". Dessa bränder uppstår oftast när batterierna överhettas eller cyklar snabbt. Med fler och fler elfordon på vägen varje år, batteritekniken måste anpassas för att minska sannolikheten för dessa farliga och katastrofala bränder.

Forskare från University of Illinois vid Chicago College of Engineering rapporterar att grafen - undermaterial från 2000 -talet - kan ta syret ur litiumbatterier. De rapporterar sina fynd i tidningen Avancerade funktionella material .

Orsakerna till att litiumbatterier tar eld inkluderar snabb cykling eller laddning och urladdning, och höga temperaturer i batteriet. Dessa förhållanden kan orsaka katoden inuti batteriet-som i de flesta litiumbatterier är en litiumhaltig oxid, vanligtvis litiumkoboltoxid - för att sönderdela och släppa ut syre. Om syret kombineras med andra brandfarliga produkter som avges genom sönderdelning av elektrolyten under tillräckligt hög värme, spontan förbränning kan förekomma.

"Vi trodde att om det finns ett sätt att förhindra att syret lämnar katoden och blandas med andra brandfarliga produkter i batteriet, vi kan minska risken för brand, "sa Reza Shahbazian-Yassar, docent i maskin- och industriteknik vid UIC College of Engineering och motsvarande författare till uppsatsen.

Det visar sig att ett material Shahbazian-Yassar är mycket bekant med gav en perfekt lösning på detta problem. Det materialet är grafen-ett supertunt lager av kolatomer med unika egenskaper. Shahbazian-Yassar och hans kollegor hade tidigare använt grafen för att modulera litiumuppbyggnad på elektroder i litiummetallbatterier.

Shahbazian-Yassar och hans kollegor visste att grafenark är ogenomträngliga för syreatomer. Grafen är också stark, flexibel och kan göras till att vara elektriskt ledande. Shahbazian-Yassar och Soroosh Sharifi-Asl, en doktorand i maskin- och industriteknik vid UIC och huvudförfattare till uppsatsen, trodde att om de slog in mycket små partiklar av litiumkoboltoxidkatoden på ett litiumbatteri i grafen, det kan förhindra att syre flyter ut.

Först, forskarna förändrade grafen kemiskt för att göra det elektriskt ledande. Nästa, de svepte de små partiklarna av litiumkoboltoxidkatodelektrod i den ledande grafen.

När de tittade på de grafenomslagna litiumkoboltoxidpartiklarna med hjälp av elektronmikroskopi, de såg att frisättningen av syre under hög värme reducerades avsevärt jämfört med opackade partiklar.

Nästa, de band ihop de inslagna partiklarna med ett bindande material för att bilda en användbar katod, och införlivade det i ett litiummetallbatteri. När de mätte frigjort syre under battericykling, de såg nästan inget syre som rinner ut från katoder även vid mycket höga spänningar. Litiummetallbatteriet fortsatte att fungera bra även efter 200 cykler.

"Det inslagna katodbatteriet tappade bara cirka 14% av sin kapacitet efter snabb cykling jämfört med ett konventionellt litiummetallbatteri där prestandan sjönk med cirka 45% under samma förhållanden, "Sa Sharifi-Asl.

"Grafen är det ideala materialet för att blockera utsläpp av syre i elektrolyten, "Sa Shahbazian-Yassar." Det är ogenomträngligt för syre, elektriskt ledande, flexibel, och är tillräckligt stark för att klara batteriets förhållanden. Den är bara några nanometer tjock så att det inte kommer att läggas till någon extra massa till batteriet. Vår forskning visar att dess användning i katoden på ett tillförlitligt sätt kan minska utsläppet av syre och kan vara ett sätt att risken för brand i dessa batterier - som driver allt från våra telefoner till våra bilar - kan minskas avsevärt. "