Uniwersytet Kalifornijski tworzy nową membranę baterii, aby zapobiec eksplozjom spowodowanym przegrzaniem baterii, wykorzystując siatki z nanorurek węglowych

作者：Iflowpower – Kaasaskantava elektrijaama tarnija

Inżynier nanotechnologii z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracował bezpieczną funkcję, która zapobiega szybkiemu nagrzewaniu się i rozładowywaniu baterii litowo-metalowych w przypadku zwarcia. Liu Ping, profesor nanoinżynierii z San Diego w Kalifornii, opublikował artykuł w czasopiśmie „Advanced Materials”, w którym szczegółowo przedstawił swoją pracę. Akumulatory litowo-metalowe mają duży potencjał wydajnościowy, ale w obecnej formie łatwo o awarię.

Dzieje się tak w wyniku wzrostu struktury igłowej zwanej kryształem dendrytycznym. Dendrymat tworzy się na anodzie po naładowaniu akumulatora, a separator można przebić i utworzyć pomiędzy anodą i katodą. Bariera spowalniająca przepływ energii i ciepła. Gdy przeszkoda ta zostanie zniszczona i elektrony będą mogły płynąć swobodniej, wytworzą więcej kalorii i sytuacja wymknie się spod kontroli, powodując przegrzanie akumulatora, awarię, pożar, a nawet eksplozję.

Naukowcy próbują rozwiązać te problemy w akumulatorach litowo-metalowych na wiele sposobów, przy czym ultradźwięki lub specjalne warstwy ochronne wykorzystujące ultradźwięki lub specjalne warstwy ochronne to tylko kilka możliwości. Zespołowi udało się oczyścić część baterii zwaną przeponą. Membrana stanowi barierę pomiędzy elektrodą dodatnią i elektrodą ujemną, dzięki której, gdy bateria jest krótka, zgromadzona w niej energia (czyli ciepło) przepływa wolniej.

Pierwszy autor pracy był oszołomiony: „Nie staramy się zapobiegać awariom akumulatorów. Po prostu zwiększamy bezpieczeństwo akumulatora, tak aby w razie awarii nie doszło do jego zapalenia się ani eksplozji. Akumulatory litowo-metalowe Po wielokrotnym ładowaniu w anodzie pojawi się anoda.

Z biegiem czasu rozrost dendrytyczny jest na tyle długi, że przenika przez przeponę i tworzy mostek między anodą i katodą, powodując wewnętrzne zwarcia. Kiedy tak się dzieje, przepływ elektronów między dwiema elektrodami zostaje utracony, co powoduje przegrzanie się akumulatora i jego zatrzymanie. Zespół badawczy Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego jest zasadniczo odciążony.

Jedna strona pokrywa cienką warstwę, częściowo przewodzącą elektryczność, sieć nanorurek węglowych, która może przechwytywać wszelkie formacje dendrytów. Gdy dendrytyczna warstwa przylega do membrany i uderza w siatkę nanorurek węglowych, powstaje kanał, który może powoli rozładowywać się, a nie bezpośrednio do katody. Gonzalez porówna nowy separator baterii do ścieżki odwodnienia na tamie.

Powiedział: „Kiedy zapora zacznie się zabezpieczać, otworzycie zawór przelewowy i pozwolicie, aby część wody wypłynęła w sposób kontrolowany. W ten sposób, gdy zapora jest rzeczywiście otwarta, nie ma tam zbyt dużo wody, która mogłaby spowodować powódź. Na tym właśnie polega idea naszego separatora, który znacznie zmniejsza prędkość rozładowania ładunku, zapobiegając „zalaniu” katody elektroniką.

Gdy dendryt zostanie przechwycony przez przewodzącą warstwę separatora, bateria zacznie się rozładowywać, więc gdy bateria jest krótka, nie ma wystarczająco dużo energii, aby stanowić zagrożenie. „Inne prace badawcze nad bateriami koncentrują się na blokowaniu penetracji dendrytów za pomocą odpowiednio mocnego materiału. Jednak Gonzalez stwierdził, że problemem w tym podejściu jest to, że prowadzi ono tylko do nieuchronnych, rozszerzonych rezultatów.

Separatory te nadal wymagają studni, aby umożliwić przepływ jonów, co jest niezbędne do działania baterii. Dlatego, kiedy w końcu drzewo zostanie pokonane, zwarcie będzie jeszcze gorsze. W teście bateria litowo-metalowa zainstalowana w nowym separatorze wykazuje oznaki stopniowego zużycia po 20–30 cyklach.

W tym samym czasie bateria i normalny (i nieco gruby) separator nagle ulegają awarii w jednym cyklu. „W rzeczywistej sytuacji nie pojawi się żadne ostrzeżenie o tym, że akumulator zaraz się rozładuje. Poprzednia sekunda może być w porządku, w następnej nastąpi pożar lub całkowite zwarcie.

„To jest nieprzewidywalne” – powiedział Gonzalez. „Ale dzięki naszemu separatorowi zostaniesz ostrzeżony z wyprzedzeniem, że jest coraz gorzej, coraz gorzej, coraz gorzej, coraz bardziej i bardziej. „Mimo że celem tych badań są baterie litowo-metalowe, naukowcy twierdzą, że separator ten można stosować również w reakcjach jonów litu i innych reakcjach chemicznych zachodzących w bateriach.

Zespół badawczy będzie zaangażowany w optymalizację komercyjnego wykorzystania separatora. Uniwersytet Kalifornijski w San Diego złożył wniosek o tymczasowy patent na to badanie.