Forschung -

Feuerfeste Li-Ionen-Batterie mit schlagfestem Elektrolyten

Lithium-Ionen-Batterien, die häufig in der Unterhaltungselektronik verwendet werden, sind bekannt dafür, dass sie bei Beschädigung oder unsachgemäßer Verpackung in Flammen aufgehen können.

Inspiriert durch das seltsame Verhalten einiger Flüssigkeiten, die beim Aufprall erstarren, haben Forscher eine praktische und kostengünstige Methode entwickelt, um eben diese Brände zu verhindern.

"In einer Lithium-Ionen-Batterie trennt ein dünnes Stück Kunststoff die beiden Elektroden", sagt Dr. Gabriel Veith. "Wenn die Batterie beschädigt wird und die Kunststoffschicht versagt, können die Elektroden in Kontakt kommen und den flüssigen Elektrolyten der Batterie in Brand setzen."

Um diese Batterien sicherer zu machen, verwenden einige Forscher stattdessen einen nicht brennbaren, festen Elektrolyten. Aber diese Feststoff-Batterien erfordern eine erhebliche Umrüstung des derzeitigen Produktionsprozesses, sagte Veith.

Alternativ dazu mischte das Forscherteam ein Additiv in den konventionellen Elektrolyten, um einen schlagfesten Elektrolyten zu erzeugen. Es verfestigt sich beim Aufprall und verhindert, dass sich die Elektroden berühren, wenn die Batterie bei einem Sturz oder Unfall beschädigt wird.

Wenn sich die Elektroden nicht berühren, fängt die Batterie also kein Feuer. Noch besser wäre es, wenn das Additiv nur geringfügige Anpassungen beim konventionellen Batterieherstellungsprozess erfordern würde.

Der entscheidende Moment des Projekts kam, als Veith und seine Kinder mit einer Mischung aus Maisstärke und Wasser, bekannt als "Oobleck", spielten. "Wenn man die Mischung auf eine Keksdose legt, fließt sie wie eine Flüssigkeit, bis man anfängt, sie zu stechen - dann wird sie fest", sagte Veith, der im Oak Ridge National Laboratory arbeitet und Projektleiter ist.

Nachdem der Druck abgebaut ist, verflüssigt sich die Substanz wieder. Veith erkannte, dass er dieses reversible "Scherverdickungsverhalten" nutzen könnte, um Batterien sicherer zu machen.

Diese Eigenschaft hängt von einem Kolloid ab, das eine Auflösung von winzigen, festen Teilchen in einer Flüssigkeit ist. Bei Oobleck besteht das Kolloid aus in Wasser aufgelösten Maisstärketeilchen.

Für das Batteriekolloid verwendeten Veith und seine Kollegen von Oak Ridge und der 'University of Rochester' Kieselsäure, die in gängigen flüssigen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien aufgelöst ist.

Beim Aufprall verklumpen die Kieselsäureteilchen und blockieren den Fluss von Flüssigkeiten und Ionen, erklärte Veith. Die Forscher verwendeten perfekt kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von 200 nm aus Kieselsäure oder im Wesentlichen aus einem superfeinen Sand.

"Wenn man diese sehr gleichmäßige Partikelgröße hat, verteilen sich die Partikel homogen im Elektrolyten, und es funktioniert wunderbar", sagte Veith. "Wenn sie nicht homogen sind, wird die Flüssigkeit beim Aufprall weniger zähflüssig, und das ist nicht gut."

Einige andere Labors haben ebenfalls die Scherverdickung untersucht, um die Batterien sicherer zu machen. Ein Team berichtete zuvor über die Forschung mit "abgedampfter" Kieselsäure, die aus winzigen, unregelmäßigen Kieselsäureteilchen besteht.

Eine andere Gruppe berichtete kürzlich über die Effekte von stabförmigen Kieselsäureteilchen. Veith glaubt, dass seine kugelförmigen Partikel einfacher herzustellen sind als die stabförmige Kieselsäure und eine schnellere Reaktion und mehr Bremskraft beim Aufprall aufweisen als abgedampfte Kieselsäure.

Einer der größten Fortschritte von Veith ist der Herstellungsprozess der Batterien. Bei der Fertigung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien wird am Ende des Produktionsprozesses ein Elektrolyt in das Batteriegehäuse gespritzt und anschließend die Batterie versiegelt.

"Das kann man mit einem scherverdickenden Elektrolyten nicht machen, denn sobald man versucht, ihn einzuspritzen, erstarrt er", sagte Veith. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie die Kieselsäure bereits vor der Zugabe des Elektrolyten einsetzten. Die Forscher beantragten ein Patent für ihre Technik.

Veith plant, das System so zu verbessern, dass der Teil der Batterie, der zum Beispiel bei einem Unfall beschädigt wurde, in einem festen Zustand verbleibt, während der Rest der Batterie weiter funktioniert.

Das Team strebt zunächst Anwendungen wie Drohnenbatterien an, möchte aber schließlich auch in den Automobilmarkt einsteigen. Sie planen auch eine größere Version der Batterie, die in der Lage wäre, selbst einem Geschoss zu widerstehen.

Das könnte Soldaten zugutekommen, die während eines Unternehmens oft 20 Pfund Körperschutz und 20 Pfund Batterien tragen. Veith: "Die Batterie würde dann ihre Rüstung sein, und das könnte den durchschnittlichen Soldaten um etwa 20 Pfund erleichtern."

Das Projekt wird von der Advanced Research Projects Agency-Energy und dem Oak Ridge National Laboratory unterstützt.

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