Förhindra litiumjonbatteriets explosioner med diamanter

Jämfört med andra batteritekniker har litiumjonbatterier (Li-ion) -batterier en relativt hög energitäthet och lång livslängd. Deras utveckling under åren har gjort det möjligt för dem att vara en batteriteknik som valts inom ett antal områden.

Dessa inkluderar drivande elektronik och elfordon. Medan de har önskvärda egenskaper och överträffar annan kommersiellt tillgänglig teknik, är de dock inte utan deras problem.

Li-ion-batterier kan farligt explodera under rätt förhållanden. Detta är orsak till stor oro. Deras potentiella fara är sådan att flygbolagen endast tillåter denna batteriteknologi i bagage.

När ämnet med exploderande Li-ion-batterier kommer upp, kommer den ökända Samsung Galaxy Note 7 omedelbart att tänka på. Flera batterier av detta återkallade så småningom Samsung-enheten helt enkelt exploderade.

Kontroversen i samband med exploderande hoverboards dyker också upp. Gemensamnämnaren mellan dessa två scenarier är att explosionerna berodde på felaktiga Li-ion-batterier.

Medan dessa två fall fick mycket uppmärksamhet har andra enheter som innehåller Li-ion-batterier exploderat tidigare. Även om det är sällsynt med korrekt kvalitetsstyrda batterier, är ett exploderande Li-ion-batteri en allvarlig risk som inte bör tas lätt.

En grupp forskare från Drexel University erkände att det fortfarande finns risker förknippade med denna batteriteknologi och har kommit med en intressant vändning till den här historien. De använder diamanter för att göra batterierna mer stabila! Jag vill verkligen berätta allt om den här nya lösningen men låt oss gå igenom lite bakgrundsinformation.

Huvudkomponenterna i ett batteri är följande:

• Positiva och negativa terminaler: Det här är kontaktpunkter för elektrisk utrustning. De tillåter el att passera från batteriet till utrustningen.
• Anod och katod: Kemiska reaktioner inträffar vid dessa elektroder som är ansvariga för generering av en ström.
• Elektrolyt: Detta är ett medium som möjliggör laddningsflödet mellan katoden och anoden.

Hur litiumjonbatterier misslyckas och därefter exploderar

Explosioner i Li-ion-batterier inträffar huvudsakligen på grund av kortslutningen av de positiva och negativa terminalerna. Bildandet av strukturer som kallas dendriter på insidan av batterierna kan orsaka dessa kortslutningar.

En kortslutning är en elektrisk anslutning som orsakar överdrivet strömflöde och genererar värme.

Dendriter är uppbyggnader som kan bildas på insidan av ett Li-ion-batteri.

I grund och botten kortsluter dessa de positiva och negativa terminalerna på batteriet, genererar stora mängder värme och tänder elektrolyten inuti batteriet.

De flesta elektrolyter är brandfarliga. Vid antändning kommer en elektrolyt vanligtvis att orsaka en explosion.

Säkerhetsåtgärder

Tack och lov mäter säkerhetsmekanismer i högkvalitativa Li-ion-batterier.

Aktuella åtgärder

För att förhindra dendritbildning använder Li-ion-batterier som för närvarande finns på marknaden en grafitelektrod som är fylld med litium. Medan denna konfiguration undertrycker bildning av dendrit, reducerar den också energitätheten för batteriet.

Om denna elektrod är tillverkad av rent litium skulle batterierna ha cirka 10 gånger sin nuvarande kapacitet. Men de skulle också vara mer benägna att explodera på grund av en ökad potential för dendritbildning.

Denna metod är ganska effektiv. Emellertid tenderar batterier av under par kvalitet inte att få det helt rätt vilket kan resultera i explosioner. Även om detta är fallet, kan den metod som beskrivs nästa potentiellt vara en ännu bättre säkerhetsmekanism.

Drexel forskare romanlösning

Drexel-teamet kom med en ny lösning för att bibehålla energitätheten i rent litium och samtidigt öka säkerheten. De designade ett batteri som använder en ren litiumelektrod. För att motverka bildning av dendrit infuserar de elektrolytlösningen med nanodiamanter.

Nanodiamonds är extremt små diamanter.

Nanodiamunderna minskar drastiskt risken för att den kemiska reaktionen inträffar vid elektroderna vilket resulterar i dendritbildning. Litium beläggs på en av elektroderna under batteriladdning. Nanodiamanterna underlättar en enhetlig beläggning och förhindrar dendriter.

Slutgiltiga tankar

Teamet medger att även om denna metod är ganska effektiv baserad på deras test, är det svårt att säga att deras metod helt skulle eliminera dendritbildning. Med det sagt är denna metod ganska lovande eftersom den förbättrar säkerheten och möjliggör ett batteri med högre kapacitet.