Onderzoekers aan de universiteit van Stanford hebben de allereerste lithium-ion batterij ontwikkeld die stopt vooraleer deze verhit, en opnieuw opstart zodra de temperatuur afkoelt.
Deze nieuwe technologie kan de voorkomende branden inperken die occasioneel optreden in onder meer batterijen van smartphones en reeds wisten te leiden tot terugroepacties of zelfs een verbod wierpen op een breed gamma van batterij-aangedreven apparaten, gaande van elektrische ligstoelen tot hoverboards.
“Mensen hebben verschillende strategieën geprobeerd om het probleem van accidentele branden in lithium-ion batterijen op te lossen,” zei Zhenan Bao, professor aan de Universiteit van Stanford.
“We hebben de eerste batterij ontworpen die kan worden uitgeschakeld en nieuw leven kan worden ingeblazen over verschillende cycli van hitte en koelte, zonder afbreuk te doen aan de prestaties.”
Bao en haar collega’s beschreven de nieuwe batterij in een studie gepubliceerd in het 11 januari nummer van het tijdschrift Nature Energy.
Een typische lithium-ion batterij bestaat uit twee elektroden en een vloeibaar of gel-achtig elektrolyt dat de geladen deeltjes ertussen draagt. Aanprikken, kortsluiten of overbeladen van de batterij genereert warmte. Wanneer de temperatuur oploopt tot ongeveer 300 graden Fahrenheit (150° C) kan het elektrolyt ontbranden en een explosie veroorzaken.
Verschillende technieken zijn reeds gebruikt om te voorkomen dat de batterij in brand komt te staan, zoals het toevoegen van vlamvertragers aan het elektrolyt.
In 2014 creëerde Stanford ingenieur, Yi Cui, een ‘slimme’ batterij die voldoende waarschuwing geeft voordat het te warm wordt.
“Helaas, deze technieken zijn onomkeerbaar, zodat de accu niet langer functioneel is nadat deze oververhit raakt,” zei Cui, co-auteur van de studie. “Het is duidelijk dat, ondanks de vele inspanningen tot nu toe gedaan, de batterijveiligheid een belangrijk aandachtspunt blijft en een nieuwe aanpak vereist.”
Om het probleem aan te pakken keerden Cui, Bao en Zheng Chen zich naar het vakgebied van nanotechnologie. Bao bedacht onlangs een draagbare sensor om de lichaamstemperatuur te controleren. De sensor bestaat uit een kunststof materiaal, ingebed met minuscule deeltjes van nikkel met ‘spikes’ op nanoschaal die uitsteken vanaf het oppervlak.
Voor dit batterij-experiment bekleedden de onderzoekers de puntige nikkeldeeltjes met grafeen – een atoom-dikke laag van koolstof – en verwerkten ze de deeltjes in een dunne film van elastisch polyethyleen.
“We bevestigden hierbij de polyethyleen film aan één van de batterij elektroden, zodat een elektrische stroom er doorheen kan stromen,” zei Chen, hoofdauteur van de studie.
“De puntige deeltjes moeten elkaar fysiek raken om elektriciteit te kunnen geleiden. Maar tijdens de thermische uitzetting strekt het polyetheen zich. Dat veroorzaakt dat de deeltjes uit elkaar spreiden, waardoor de film niet langer geleidend is en de stroom niet langer door de batterij kan vloeien.”
Wanneer de onderzoekers de batterij verhitten tot boven 70° C zet de polyethyleenfilm snel uit, net als een ballon, waardoor de puntige deeltjes van elkaar scheiden en de batterij zich afsluit. Maar wanneer de temperatuur terugvalt tot aan 70° C, en het polyetheen krimpt, maken de deeltjes terug contact en start de accu weer met elektriciteit te genereren.
De onderzoekers kunnen de temperatuur van de terugval zelfs regelen, hoger of lager, afhankelijk van hoeveel deeltjes ze verwerken en welk type polymeer materiaal ze daarvoor kiezen.
“In vergelijking met eerdere benaderingen zorgt ons ontwerp voor een betrouwbare, snelle, omkeerbare strategie die zowel hoge batterijprestaties kan bereiken als verbeterde veiligheid,” zei Cui. “Deze strategie houdt een grote belofte in voor praktische batterijtoepassingen.”
Bron: news.stanford.edu
Foto Zheng Chen