Uppladdningsbara litiumjonbatterier driver i stort sett våra liv. Från våra smartphones till våra bärbara datorer, ända upp till våra elbilar, var skulle vi vara utan dem? Tja, i ärlighetens namn, någonstans säkrare och mycket mindre brandfarligt.
Det är tyvärr lätt för litiumjonbatterier att gå upp i lågor, vilket framgår av de många bränder som det allmänt förekommande uppladdningsbara batteriet har orsakat nyligen. Oavsett om det är en Tesla Model S som går upp i rök, återkallelsen av bärbara HP-datorer eller den berömda branddefekten Samsung Galaxy Note 7, så är litiumjonbatterier ärligt talat mycket brandfarliga.
Men enligt a ny studie publicerad i Nano Letters, en tidskrift från American Chemical Society, kan det finnas ett sätt att helt och hållet ta bort brandrisken från litiumjonbatterier, och svaret ligger i nanotrådar.
Varför är litiumjonbatterier sådana brandstartare?
Litium är det minst täta metalliska elementet, vilket är anledningen till att litiumjonbatterier är så vanliga – de kan få mer kraft än andra typer av batterier. Problemet är dock att litium också är mycket reaktivt och innehåller natrium och kalium.
Som med alla batterier har litiumjonbatterier två elektroder åtskilda av en elektrolyt. Internt finns det en elektrolytlösning av litiumsalter och lösningsmedel, och det finns en finjusterad balansgång mellan den och elektroderna.
När batteriet är laddat kommer litiumjonlösningen att flöda från elektrolyten in i kolanoden och flöda tillbaka när den laddas ur. Uppenbarligen, om denna balans försvinner, är det den främsta platsen för katastrofen att inträffa. Om elementen går ihop kan batteriet överhettas och brinna i lågor.
Hur kan nanotrådar användas för att förhindra att bränder uppstår i litiumjonbatterier?
Att ta bort brandrisken från litiumjonbatterier har redan visat sig möjligt i labbet, med användning av fasta elektrolyter. Tyvärr är fasta elektrolyter notoriskt svåra att skala upp, och absolut inte billigt, så det är inte en genomförbar lösning på lång sikt.
LÄS NÄSTA: Vad är ett solid-state-batteri och varför är James Dyson så exalterad över det?
Ett annat potentiellt alternativ är polymerelektrolyter, som är billigare och mycket mer skalbara. Ändå är de inte särskilt ledande och har knappast några mekaniska egenskaper.
Det var därför teamet från College of Chemical Engineering and Material Science vid Zhejiang University of Technology ville se om att göra solid-state polymer elektrolyten mer ledande skulle minska brandrisken som litiumjonbatterier ofta ger.
Genom att lägga till nanotrådar av magnesiumborat, som tillför goda mekaniska egenskaper och ledningsförmåga till polymerelektrolyten, kunde teamet observera enormt ökad ledningsförmåga hos elektrolyterna utan brandrisk.
”På grund av de höghållfasta och flamskyddade egenskaperna hos [magnesium borate] nanotrådstillsats, både de mekaniska egenskaperna och den flamskyddande prestandan hos [solid-state electrolytes] förbättrades”, skrev forskarna i rapporten. ”Resultaten avslöjade interaktionen mellan [magnesium borate] nanotrådar och –SO2- […] som skulle kunna främja frisättningen och transporten av litiumjoner, och därmed förbättra jonledningsförmågan.”
LÄS NÄSTA: AA-batteriet som aldrig dör
Teamet testade elektrolytens brännbarhet och upptäckte att det knappt brann när elektrolyten som hade förbättrats med nanotråden samarbetades med batteriernas typiska egenskaper: en katod och en anod. Ännu bättre, batteriet hade till och med bättre prestanda och högre cyklisk kapacitet, vilket gör det till ett totalt sett bättre litiumjonbatteri.
Nanotrådar, som ofta är halvledande, är 60 000 gånger tunnare än ett fint människohår, vilket gör dem till perfekta kandidater för allt arbete som utförs på batterier.
Effektiviteten av nanotrådar i batterier har bevisats tidigare. I en publicerad studie från Stanford University År 2009, forskare kunde producera elektroder gjorda av kol-silikon nanotrådar. De observerade att nanotrådarna kunde lagra tio gånger laddningen av vanliga grafitelektroder i litiumjonbatterier. Även om det var 2009, har vi inte sett nanotrådsförbättrade batterier komma ut på marknaden, så vi kan inte säga om dessa riskfria litiumjonbatterier kommer att finnas med oss någon gång snart. I alla fall vet vi åtminstone att det finns ett möjligt sätt att göra det rikliga batteriet mindre brandfarligt.
