Die California University entwickelt mithilfe von Kohlenstoffnanoröhrennetzen eine neue Batteriemembran, um Explosionen durch Überhitzung der Batterie zu vermeiden

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Der Nanoingenieur der University of California in San Diego hat eine Sicherheitsfunktion entwickelt, die verhindert, dass Lithium-Metall-Batterien bei einem Kurzschluss schnell erhitzt und entzündet werden. Liu Ping, Professor für Nanotechnik aus San Diego, Kalifornien, veröffentlichte einen Artikel im Magazin „Advanced Materials“, in dem er ihre Arbeit ausführlich vorstellte. Lithium-Metall-Batterien verfügen über ein großes Leistungspotenzial, können in ihrer aktuellen Form jedoch leicht versagen.

Dies ist auf das Wachstum der Nadelstruktur zurückzuführen, die als dendritischer Kristall bezeichnet wird. Das Dendritenkristall wird nach dem Laden der Batterie auf der Anode gebildet und der Separator kann durchstochen werden, wodurch der Separator zwischen der Anode und der Kathode gebildet wird. Barriere, die den Energie- und Wärmefluss verlangsamt. Wenn dieses Hindernis zerstört wird und die Elektronen freier fließen können, produzieren sie mehr Kalorien und die Dinge geraten außer Kontrolle, was zu einer Überhitzung, einem Ausfall, einem Brand oder sogar einer Explosion der Batterie führen kann.

Wissenschaftler versuchen, diese Probleme in Lithium-Metall-Batterien auf verschiedene Weise zu lösen, wobei Ultraschall oder spezielle Schutzschichten nur einige der Möglichkeiten darstellen. Das Team hat den als Membran bezeichneten Teil der Batterie freigelegt. Die Membran ist eine Barriere zwischen der positiven und der negativen Elektrode, sodass bei einem Kurzschluss der Batterie die in der Batterie gespeicherte Energie (also Wärme) langsamer abfließt.

Der Erstautor der Arbeit ist verblüfft: „Wir versuchen nicht, Batterieausfälle zu verhindern. Wir machen die Batterie lediglich sicherer, sodass sie bei einem Ausfall weder Feuer fängt noch explodiert. Lithium-Metall-Batterien Nach mehrmaligem Laden erscheint die Anode in der Anode.

Mit der Zeit ist das dendritische Wachstum lang genug, durchdringt die Membran und bildet eine Brücke zwischen Anode und Kathode, was zu internen Kurzschlüssen führt. Wenn dies geschieht, gerät der Elektronenfluss zwischen den beiden Elektroden außer Kontrolle, was dazu führt, dass die Batterie überhitzt und nicht mehr funktioniert. Das Forscherteam der University of California San Diego ist grundsätzlich erleichtert.

Eine Seite bedeckt ein dünnes, teilweise elektrisch leitfähiges Kohlenstoffnanoröhrennetzwerk, das eine etwaige Dendritenbildung unterbinden kann. Wenn eine dendritische Paste die Membran passiert und auf das Kohlenstoffnanoröhrennetz trifft, entsteht in der Elektronik ein Kanal, der sich langsam entladen kann, nicht direkt zur Kathode. Gonzalez wird den neuen Batterietrenner mit dem Entwässerungsweg auf dem Damm vergleichen.

Er sagte: „Wenn der Damm zu dämpfen beginnt, öffnen Sie die Öffnung und lassen etwas Wasser kontrolliert abfließen. Auf diese Weise gibt es, wenn der Damm wirklich ein Deziste ist, nicht viel Wasser, das Überschwemmungen verursachen kann. Dies ist die Idee unseres Separators, der die Entladegeschwindigkeit der Ladung stark reduziert und so eine elektronische „Überflutung“ der Kathode verhindert.

Wenn der Dendriten von der leitfähigen Schicht des Separators abgefangen wird, beginnt sich die Batterie zu entladen. Wenn die Batterie also kurz ist, ist nicht genügend Energie vorhanden, um gefährlich zu werden. „Andere Batterieforschungsarbeiten konzentrieren sich darauf, das Eindringen von Dendriten mit einem ausreichend starken Material zu blockieren. Gonzalez sagte jedoch, dass ein Problem bei diesem Ansatz darin liege, dass er nur zu längeren, unvermeidlichen Ergebnissen führe.

Diese Separatoren müssen noch gut sein und den Durchgang von Ionen ermöglichen, damit die Batterie funktioniert. Wenn der Baum schließlich passiert wird, wird der Kurzschluss daher schlimmer. Im Test zeigt die im neuen Separator verbaute Lithium-Metall-Batterie nach 20 bis 30 Zyklen Anzeichen eines schleichenden Versagens.

Gleichzeitig kommt es bei der Batterie und einem normalen (und etwas dicken) Separator innerhalb eines Zyklus zu plötzlichen Fehlern. „In einem realen Fall gibt es keine Vorwarnung, dass die Batterie bald versagen wird. In der vorherigen Sekunde war möglicherweise noch alles in Ordnung, in der nächsten fängt es Feuer oder es kommt zu einem Kurzschluss.

Das ist unvorhersehbar“, sagte Gonzalez. „Aber mit unserem Separator werden Sie im Voraus gewarnt, es wird schlimmer, schlimmer, schlimmer, immer mehr. „Obwohl der Schwerpunkt dieser Studie auf Lithium-Metall-Batterien liegt, sagen Forscher, dass dieser Separator auch bei Lithiumionen und anderen chemischen Batteriereaktionen verwendet werden kann.

Das Forschungsteam wird sich dafür einsetzen, die kommerzielle Nutzung des Separators zu optimieren. Die California University San Diego hat für die Studie ein vorläufiges Patent beantragt.