มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียผลิตไดอะแฟรมแบตเตอรี่ชนิดใหม่เพื่อป้องกันการระเบิดของแบตเตอรี่เนื่องจากความร้อนสูงเกินไปโดยใช้ตาข่ายคาร์บอนนาโนทิวบ์

Автор: Iflowpower – Портативті электр станциясының жеткізушісі

วิศวกรนาโนจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้พัฒนาคุณลักษณะปลอดภัยที่ป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลได้รับความร้อนอย่างรวดเร็วและเกิดการจุดระเบิดเมื่อเกิดไฟฟ้าลัดวงจร หลิวผิง ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนจากแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ตีพิมพ์บทความในนิตยสาร Advanced Materials แนะนำงานของพวกเขาโดยละเอียด แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลมีศักยภาพในการทำงานที่ยอดเยี่ยม แต่ในรูปแบบปัจจุบัน อาจล้มเหลวได้ง่าย

เกิดจากการเติบโตของโครงสร้างเข็มที่เรียกว่าผลึกเดนไดรต์ เดนดิเมเจอร์จะถูกสร้างขึ้นบนขั้วบวกหลังจากชาร์จแบตเตอรี่แล้ว และสามารถเจาะตัวคั่นได้ และตัวคั่นจะถูกสร้างขึ้นระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ กำแพงกั้นชะลอการไหลของพลังงานและความร้อน เมื่อสิ่งกีดขวางนี้ถูกทำลาย และอิเล็กตรอนสามารถไหลได้อย่างอิสระมากขึ้น ก็จะผลิตแคลอรีออกมามากขึ้น และทุกอย่างก็จะหลุดจากการควบคุม ส่งผลให้แบตเตอรี่ร้อนเกินไป เสียหาย ไฟไหม้ หรือแม้แต่ระเบิดได้

นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามแก้ไขปัญหาเหล่านี้ในแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลในหลากหลายวิธี ซึ่งการใช้ชั้นอัลตราซาวนด์หรือชั้นป้องกันพิเศษเป็นเพียงความเป็นไปได้บางส่วนเท่านั้น ทีมงานได้ทำการเคลียร์ส่วนของแบตเตอรี่ที่เรียกว่าไดอะแฟรมออกไปแล้ว ไดอะแฟรมเป็นตัวกั้นระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ ดังนั้นเมื่อแบตเตอรี่เกิดไฟฟ้าลัดวงจร พลังงานที่สะสมอยู่ในแบตเตอรี่ (นั่นคือความร้อน) จะไหลช้าลง

ผู้เขียนวิทยานิพนธ์คนแรกตกตะลึงว่า "เราไม่ได้พยายามป้องกันความล้มเหลวของแบตเตอรี่ เราเพียงแต่ทำให้แบตเตอรี่มีความปลอดภัยมากขึ้น ดังนั้นเมื่อแบตเตอรี่หมด แบตเตอรี่จะไม่ติดไฟหรือระเบิด แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล หลังจากชาร์จซ้ำหลายครั้ง ขั้วบวกจะปรากฏขึ้นในขั้วบวก

เมื่อเวลาผ่านไป การเจริญเติบโตของเดนไดรต์จะยาวเพียงพอที่จะแทรกซึมเข้าไปในไดอะแฟรม ยกสะพานระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายใน เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น การไหลของอิเล็กตรอนระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองจะสูญเสียการควบคุม ส่งผลให้แบตเตอรี่ร้อนเกินไปและหยุดทำงาน ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้รับการบรรเทาทุกข์โดยพื้นฐานแล้ว

ด้านหนึ่งคลุมด้วยชั้นบางๆ ซึ่งเป็นเครือข่ายคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่มีคุณสมบัติเป็นสื่อไฟฟ้าบางส่วน ซึ่งสามารถสกัดกั้นการก่อตัวของเดนไดรต์ใดๆ ได้ เมื่อเดนไดรต์วางลงบนไดอะแฟรมและกระทบกับคาร์บอนนาโนทิวบ์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ก็จะมีช่องที่สามารถปล่อยประจุได้อย่างช้าๆ โดยไม่ไปที่แคโทดโดยตรง กอนซาเลซจะเปรียบเทียบตัวแยกแบตเตอรี่ใหม่กับเส้นทางระบายน้ำบนเขื่อน

เขากล่าวว่า “เมื่อเขื่อนเริ่มมีการกั้นน้ำ คุณจะเปิดช่องระบายน้ำ ปล่อยให้น้ำไหลออกมาในลักษณะที่ควบคุมได้ ด้วยวิธีนี้ เมื่อเขื่อนเกิดภาวะวิกฤติจริง ๆ น้ำที่จะทำให้เกิดน้ำท่วมก็จะมีไม่มาก นี่คือแนวคิดของตัวแยกของเรา ซึ่งจะช่วยลดความเร็วในการคายประจุได้อย่างมาก โดยป้องกันไม่ให้เกิดการ "ท่วม" ประจุไฟฟ้าไปที่แคโทด

เมื่อเดนไดรต์ถูกสกัดกั้นโดยชั้นนำไฟฟ้าของตัวแยก แบตเตอรี่จะเริ่มคายประจุ ดังนั้นเมื่อแบตเตอรี่ลัดวงจร พลังงานจะไม่เพียงพอที่จะก่อให้เกิดอันตรายได้ "งานวิจัยแบตเตอรี่อื่น ๆ มุ่งเน้นไปที่การปิดกั้นการเจาะของเดนไดรต์ด้วยวัสดุที่แข็งแรงเพียงพอ แต่กอนซาเลซกล่าวว่าปัญหาของแนวทางนี้ก็คือเป็นการขยายผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เท่านั้น

ตัวแยกเหล่านี้ยังคงต้องทำงานได้ดี โดยให้ไอออนผ่านได้เพื่อให้แบตเตอรี่ทำงานได้ ดังนั้นเมื่อต้นไม้ผ่านพ้นไปในที่สุด ไฟฟ้าลัดวงจรจะเลวร้ายลง ในการทดสอบ แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลที่ติดตั้งในตัวคั่นใหม่แสดงอาการล้มเหลวอย่างค่อยเป็นค่อยไปในรอบ 20 ถึง 30 รอบ

ในเวลาเดียวกัน แบตเตอรี่และแผ่นกั้นแบบธรรมดา (ซึ่งมีความหนาเล็กน้อย) กลับเกิดความผิดพลาดขึ้นอย่างกะทันหันในรอบเดียว "ในกรณีจริง คุณจะไม่ได้รับคำเตือนล่วงหน้าว่าแบตเตอรี่กำลังจะหมดอายุ วินาทีที่ผ่านมาอาจจะโอเค แต่วินาทีต่อไปอาจจะเกิดไฟไหม้หรือไฟฟ้าลัดวงจรได้

“นี่มันไม่สามารถคาดเดาได้” กอนซาเลซกล่าว “แต่ด้วยตัวแยกของเรา คุณจะได้รับคำเตือนล่วงหน้า แย่ลง แย่ลง แย่ลง มากขึ้นเรื่อยๆ” แม้ว่าจุดเน้นของการศึกษาครั้งนี้จะอยู่ที่แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล แต่ผู้วิจัยบอกว่าตัวแยกชนิดนี้ยังสามารถใช้กับลิเธียมไอออนและปฏิกิริยาทางเคมีอื่นๆ ของแบตเตอรี่ได้อีกด้วย

ทีมวิจัยจะมุ่งมั่นในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานเครื่องแยกเชิงพาณิชย์ มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโกได้ยื่นขอสิทธิบัตรชั่วคราวสำหรับการศึกษาวิจัยดังกล่าว