Das UIC-Team verwendet Graphen, um Brände von Li-Ionen-Batterien zu verhindern

2020-04-21 11:48:14

Die Tendenz von Lithiumbatterien, gelegentlich Feuer zu fangen (ein Ereignis, das als „thermisches Durchgehen“ bezeichnet wird), ist gut dokumentiert und kann auftreten, wenn die Batterien überhitzen oder schnell zyklisch arbeiten. Forscher der Universität von Illinois am Chicago College of Engineering berichten, dass Graphen bei diesem störenden Problem helfen kann.

UIC team uses graphene to prevent Li-ion battery fires image

Mit Graphen beschichtete Lithiumkobaltoxidpartikel. Bild von UIC

Bedingungen wie schnelles Zyklisieren oder Laden und Entladen sowie hohe Temperaturen in der Batterie können dazu führen, dass sich die Kathode in der Batterie - die bei den meisten Lithiumbatterien ein lithiumhaltiges Oxid ist, normalerweise Lithiumkobaltoxid - zersetzt und Sauerstoff freisetzt. Wenn sich der Sauerstoff mit anderen brennbaren Produkten verbindet, die durch Zersetzung des Elektrolyten unter ausreichend hoher Wärme abgegeben werden, kann es zu einer spontanen Verbrennung kommen.

"Wir dachten, wenn es eine Möglichkeit gäbe, zu verhindern, dass der Sauerstoff die Kathode verlässt und sich mit anderen brennbaren Produkten in der Batterie vermischt, könnten wir die Wahrscheinlichkeit eines Brandes verringern", sagte Reza Shahbazian-Yassar, Associate Professor für Mechanik und Industrie Ingenieurwesen am UIC College of Engineering und entsprechender Autor des Papiers.

Das Team berichtete, dass Graphen eine perfekte Lösung für dieses Problem darstellen könnte. Shahbazian-Yassar und seine Kollegen hatten zuvor Graphen verwendet, um die Lithiumbildung auf Elektroden in Lithiummetallbatterien zu modulieren.

Shahbazian-Yassar und seine Kollegen wussten, dass Graphenschichten für Sauerstoffatome undurchlässig sind. Shahbazian-Yassar und Soroosh Sharifi-Asl, ein Doktorand in Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen an der UIC und Hauptautor des Papiers, waren der Meinung, dass es verhindern könnte, wenn sie sehr kleine Partikel der Lithium-Kobaltoxid-Kathode einer Lithium-Batterie in Graphen einwickeln Sauerstoff entweicht.

Zunächst veränderten die Forscher das Graphen chemisch, um es elektrisch leitfähig zu machen. Als nächstes wickelten sie die winzigen Partikel der Lithium-Kobaltoxid-Kathodenelektrode in das leitfähige Graphen ein.

Als sie die mit Graphen umwickelten Lithiumkobaltoxidpartikel unter Verwendung von Elektronenmikroskopie betrachteten, stellten sie fest, dass die Freisetzung von Sauerstoff unter hoher Hitze im Vergleich zu unverpackten Partikeln signifikant verringert war.

Als nächstes banden sie die umwickelten Partikel mit einem Bindematerial zusammen, um eine verwendbare Kathode zu bilden, und bauten sie in eine Lithiummetallbatterie ein. Als sie den während des Batteriezyklus freigesetzten Sauerstoff maßen, sahen sie, dass selbst bei sehr hohen Spannungen fast kein Sauerstoff aus den Kathoden austrat. Die Lithiummetallbatterie zeigte auch nach 200 Zyklen eine gute Leistung.

"Die umwickelte Kathodenbatterie verlor nach einem schnellen Zyklus nur etwa 14% ihrer Kapazität im Vergleich zu einer herkömmlichen Lithiummetallbatterie, bei der die Leistung unter den gleichen Bedingungen um etwa 45% abnahm", sagte Sharifi-Asl.

"Graphen ist das ideale Material, um die Freisetzung von Sauerstoff in den Elektrolyten zu blockieren", sagte Shahbazian-Yassar. „Es ist sauerstoffundurchlässig, elektrisch leitend, flexibel und stark genug, um den Bedingungen innerhalb der Batterie standzuhalten. Es ist nur wenige Nanometer dick, sodass der Batterie keine zusätzliche Masse hinzugefügt wird. Unsere Forschung zeigt, dass seine Verwendung in der Kathode die Freisetzung von Sauerstoff zuverlässig reduzieren kann und eine Möglichkeit sein könnte, die Brandgefahr in diesen Batterien, die alles von unseren Telefonen bis zu unseren Autos antreiben, erheblich zu verringern. “