Preprečevanje eksplozij litij-ionske baterije z diamanti

V primerjavi z drugimi baterijskimi tehnologijami imajo litij-ionske (Li-ion) baterije relativno visoko energijsko gostoto in dolgo življenjsko dobo. Njihov razvoj skozi leta jim je omogočil, da so na številnih področjih izbrana tehnologija baterij.




Ti vključujejo napajanje prenosne elektronike in električna vozila. Čeprav imajo zaželene lastnosti in prekašajo druge komercialno dostopne tehnologije, kljub temu niso brez težav.



Li-ionske baterije lahko v pravih pogojih nevarno eksplodira. To je razlog za veliko skrb. Njihova potencialna nevarnost je taka, da letalske družbe to baterijsko tehnologijo dovolijo samo v prtljagi.



Ko se pojavi tema o eksploziji Li-ion baterij, je zloglasna Samsung Galaxy Note 7takoj pride na misel. Več baterij te naprave se je na koncu spominjalo, da je naprava Samsung preprosto eksplodirala.

Polemika, povezana s eksplodirajo hoverboardi tudi skoči. Skupni imenovalec teh dveh scenarijev je, da so bile eksplozije posledica napak Li-ion baterij.

Medtem ko sta bila ta dva primera deležna veliko pozornosti, druge naprave ki vsebujejo Li-ion baterije so eksplodirale že prej. Čeprav je s pravilno nadzorovanimi baterijami redko, je eksplozijska Li-ion baterija resna nevarnost, ki je ne bi smeli jemati.

Skupina raziskovalcev iz Univerza Drexelje ugotovil, da še vedno obstajajo tveganja, povezana s to baterijsko tehnologijo, in je prišel do zanimiv zasukk tej zgodbi. Uporabljajo diamante za bolj stabilnost baterij! Resnično vam želim povedati vse o tej novi rešitvi, ampak najprej pojdimo skozi nekaj osnovnih informacij.

Glavne komponente baterije so naslednje:

  • Pozitivni in negativni terminali: To so stična mesta za električno opremo. Omogočajo prehod električne energije iz baterije na opremo.
  • Anoda in katoda: Na teh elektrodah, ki so odgovorne za ustvarjanje toka, pride do kemičnih reakcij.
  • Elektrolit: To je medij, ki omogoča pretok naboja med katodo in anodo.




Kako litijeve ionske baterije ne uspejo in kasneje eksplodirajo

Do eksplozij v Li-ionskih baterijah pride predvsem zaradi kratkega stika pozitivnih in negativnih sponk. Nastanek struktur, imenovanih dendriti na notranji strani baterij, lahko povzroči te kratke stike.

A kratek stik je električna povezava, ki povzroča prekomerni tok in ustvarja toploto.

Dendriti so nadgradnje, ki se lahko oblikujejo na notranji strani Li-ionske baterije.

Na zgornji sliki so dendriti, podobno kot tisti, ki nastanejo v okvarjeni bateriji. | Univerza Drexel

V bistvu ti dendriti kratki stik na pozitivnih in negativnih sponkah akumulatorja ustvarjajo velike količine toplote in vžgejo elektrolit znotraj akumulatorja.

Večina elektrolitov je vnetljiva. Elektrolit običajno povzroči eksplozijo.



Varnostni ukrepi

Hvaležni ukrepi obstajajo varnostni mehanizmi v visokokakovostnih Li-ion baterijah.

Trenutni ukrepi

Da bi preprečili nastanek dendrita, Li-ionske baterije, ki so trenutno na trgu, uporabljajo grafitno elektrodo, ki je napolnjena z litijem. Čeprav ta konfiguracija zavira nastajanje dendrita, zmanjšuje tudi gostoto energije akumulatorja.

Če je elektroda iz čistega litija, bi baterije imele približno 10-krat večjo sedanjo kapaciteto. Vendar pa bi verjetno povečali tudi eksplozijo zaradi povečanega potenciala tvorbe dendrita.

Ta metoda je precej učinkovita. Vendar baterij pod kakovostjo ponavadi ne pridejo prav, kar lahko povzroči eksplozije. Čeprav je to tako, bi bila naslednja opisana metoda lahko še boljši varnostni mehanizem.

Drexel raziskovalci novejša rešitev

Ekipa Drexel je pripravila novo rešitev za ohranjanje energijske gostote čistega litija in hkrati povečala varnost. Zasnovali so baterijo, ki uporablja čisto litijevo elektrodo. Da bi preprečili nastanek dendrita, vbrizgajo raztopino elektrolitov z nanodiamondi.

Nanodijamanti so izredno majhni diamanti.

Nanodiamondi drastično zmanjšajo tveganje za nastanek kemičnih reakcij na elektrodah, kar povzroči nastanek dendrita. Litij je med praznjenjem akumulatorja prevlečen na eno od elektrod. Nanodijamanti olajšajo enakomerno prevleko in preprečujejo nastanek dendritov.





Končne misli

Skupina priznava, da je ta metoda na podlagi njihovih testov precej učinkovita, vendar je težko reči, da bi njihova metoda popolnoma odpravila nastanek dendrita. Ker je rečeno, je ta metoda precej obetavna, saj povečuje varnost in omogoča večjo zmogljivost baterije.