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Diese Lithium-Ionen-Batterien können kein Feuer fangen, weil sie bei der Wirkung härten
Oct 11, 2018

Diese Lithium-Ionen-Batterien können sich nicht entzünden, da sie beim Aufprall aushärten

22. August 2018, American Chemical Society

行业新闻

Durch Zugabe von pulverförmiger Kieselsäure (in blauem Behälter) zur Polymerschicht (weiße Folie), die die Elektroden in einer Testbatterie (Goldbeutel) trennt, werden Brände von Lithium-Ionen-Akkus verhindert. Bildnachweis: Gabriel Veith

 

Lithium-Ionen-Akkus, die üblicherweise in der Unterhaltungselektronik verwendet werden, sind dafür bekannt, dass sie in Flammen aufgehen, wenn sie beschädigt oder unsachgemäß verpackt sind. Diese Vorfälle haben gelegentlich schwerwiegende Folgen, darunter Verbrennungen, Hausbrände und mindestens einen Flugzeugabsturz. Inspiriert durch das seltsame Verhalten einiger Flüssigkeiten, die sich beim Aufprall verfestigen, haben Forscher eine praktische und kostengünstige Möglichkeit entwickelt, um diese Brände zu verhindern.

 

Sie werden ihre Ergebnisse heute auf der 256. Nationalen Konferenz und Ausstellung der American Chemical Society (ACS) vorstellen.

 

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

 

Um diese Batterien sicherer zu machen, verwenden einige Forscher stattdessen einen nicht brennbaren festen Elektrolyten. Diese Festkörperbatterien erfordern jedoch ein erhebliches Umrüsten des laufenden Produktionsprozesses, sagt Veith. Alternativ mischt sein Team einen Zusatzstoff in den herkömmlichen Elektrolyten, um einen schlagfesten Elektrolyten zu erzeugen. Sie verfestigt sich beim Auftreffen und verhindert, dass sich die Elektroden berühren, wenn die Batterie während eines Sturzes oder eines Absturzes beschädigt wird. Wenn sich die Elektroden nicht berühren, entzündet sich die Batterie nicht. Noch besser, der Zusatz des Additivs würde nur geringfügige Anpassungen des herkömmlichen Batterieherstellungsprozesses erfordern.

 

Der Eureka-Moment des Projekts kam, als Veith und seine Kinder mit einer Mischung aus Maisstärke und Wasser, bekannt als Oobleck, spielten. "Wenn Sie die Mischung auf ein Cookie-Tablett legen, fließt sie wie eine Flüssigkeit, bis Sie anfangen zu stoßen, und dann wird sie fest", sagt Veith, der im Oak Ridge National Laboratory ansässig ist und der Hauptermittler des Projekts ist. Nachdem der Druck entfernt wurde, verflüssigt sich die Substanz erneut. Veith erkannte, dass er dieses reversible "Scherverdickungsverhalten" nutzen konnte, um Batterien sicherer zu machen.

 

Diese Eigenschaft hängt von einem Kolloid ab, bei dem es sich um winzige, feste Partikel in einer Flüssigkeit handelt. Im Fall von Oobleck besteht das Kolloid aus in Wasser suspendierten Maisstärkepartikeln. Für das Batteriekolloid verwendeten Veith und seine Kollegen bei Oak Ridge und der University of Rochester Siliciumdioxid, das in üblichen flüssigen Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien suspendiert war. Beim Aufprall verklumpen die Silicapartikel und blockieren den Fluss von Flüssigkeiten und Ionen, erklärt er. Die Forscher verwendeten perfekt kugelförmige Partikel aus Siliciumdioxid mit einem Durchmesser von 200 Nanometer oder im Wesentlichen einen ultrafeinen Sand. "Wenn Sie diese sehr einheitliche Partikelgröße haben, dispergieren sich die Partikel homogen im Elektrolyten und es funktioniert wunderbar", sagt Veith. "Wenn sie keine homogene Größe haben, wird die Flüssigkeit beim Aufprall weniger viskos, und das ist schlecht."

 

Ein paar andere Labore haben Scherverdickung untersucht, um Batterien sicherer zu machen. Ein Team berichtete zuvor über Forschungen mit "pyrogener" Kieselsäure, die aus winzigen unregelmäßigen Teilchen von Kieselsäure besteht. Eine andere Gruppe berichtete kürzlich über die Wirkung der Verwendung von stabförmigen Silicapartikeln. Veith glaubt, dass seine kugelförmigen Partikel möglicherweise leichter herzustellen sind als das stabförmige Siliciumdioxid und eine schnellere Reaktion und mehr Stoppkraft beim Auftreffen als Quarzstaub aufweisen.

 

Einer der wichtigsten Fortschritte von Veith ist der Produktionsprozess für die Batterien. Bei der Herstellung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien wird am Ende des Produktionsprozesses ein Elektrolyt in das Batteriegehäuse gespritzt, und dann wird die Batterie versiegelt. "Mit einem scherverdickenden Elektrolyten ist das nicht möglich, denn sobald Sie versuchen, es zu injizieren, verfestigt es sich", sagt er. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie die Kieselsäure vor dem Hinzufügen des Elektrolyts anbringen. Sie suchen ein Patent für ihre Technik.

 

In der Zukunft plant Veith, das System so zu verbessern, dass der bei einem Absturz beschädigte Teil der Batterie solide bleibt, während der Rest der Batterie weiter funktioniert. Das Team zielt zunächst auf Anwendungen wie Drohnenbatterien ab, sie möchten jedoch auf den Automobilmarkt gelangen. Sie planen auch, eine größere Version des Akkus herzustellen, mit der eine Kugel aufgehalten werden könnte. Das könnte Soldaten zugute kommen, die oft 20 Pfund Körperrüstung und 20 Pfund Batterien tragen, wenn sie auf einer Mission sind, sagt Veith. "Die Batterie würde als Rüstung dienen, und das würde den durchschnittlichen Soldaten um etwa 20 Pfund erleichtern."