Prevence výbuchu lithium-iontových baterií diamantem

Ve srovnání s jinými technologiemi baterií mají lithium-iontové (Li-ion) baterie relativně vysokou hustotu energie a dlouhou životnost. Jejich vývoj v průběhu let jim umožnil být baterií zvolenou technologií v řadě oblastí.

Patří sem napájení přenosné elektroniky a elektrických vozidel. I když mají žádoucí vlastnosti a překonávají jiné komerčně dostupné technologie, nejsou však bez problémů.

Li-ion baterie mohou za správných podmínek nebezpečně explodovat. To je důvod k velkému znepokojení. Jejich potenciální nebezpečí je takové, že letecké společnosti povolují tuto technologii baterií pouze v příručním zavazadle.

Když se objeví téma explodující lithium-iontové baterie, okamžitě přijde na mysl nechvalně známá Samsung Galaxy Note 7. Několik baterií tohoto nakonec vybaveného zařízení Samsung jednoduše vybuchlo.

Objeví se také diskuse spojená s explozí vznášedel. Společným jmenovatelem těchto dvou scénářů je, že výbuchy byly důsledkem vadných Li-ion baterií.

Zatímco těmto dvěma případům byla věnována velká pozornost, jiná zařízení obsahující lithium-iontové baterie již explodovala. Ačkoli je to u baterií řádně kontrolované kvality vzácné, explodující Li-ion baterie představuje vážné riziko, které by se nemělo brát zlehka.

Skupina vědců z Drexel University uznala, že s touto technologií baterií stále existují rizika a k tomuto příběhu došlo zajímavým zvratem. Používají diamanty, aby byly baterie stabilnější! Opravdu vám chci říct všechno o tomto novém řešení, ale nejprve si projdeme pár základních informací.

Hlavní součásti baterie jsou následující:

• Kladné a záporné svorky: Toto jsou kontaktní místa pro elektrická zařízení. Umožňují průchod elektřiny z baterie do zařízení.
• Anoda a katoda: Na těchto elektrodách dochází k chemickým reakcím, které jsou zodpovědné za generování proudu.
• Elektrolyt: Jedná se o médium, které umožňuje tok náboje mezi katodou a anodou.

Jak lithium-iontové baterie selhaly a následně explodovaly

K výbuchům Li-ion baterií dochází zejména v důsledku zkratu kladných a záporných svorek. Tyto zkraty mohou způsobit vytváření struktur zvaných dendrity uvnitř baterií.

Zkrat je elektrické připojení, které způsobuje nadměrný tok proudu a vytváří teplo.

Dendrity jsou nánosy, které se mohou tvořit na vnitřní straně Li-ion baterie.

Tyto dendrity v podstatě zkratují kladné a záporné svorky baterie, vytvářejí velké množství tepla a zapalují elektrolyt uvnitř baterie.

Většina elektrolytů je hořlavá. Při vznícení elektrolyt obvykle způsobí výbuch.

Bezpečnostní opatření

Naštěstí opatření bezpečnostní mechanismy existují ve vysoce kvalitních Li-ion baterií.

Aktuální opatření

Aby se zabránilo tvorbě dendritů, používají Li-ion baterie, které jsou v současné době na trhu, grafitovou elektrodu, která je naplněna lithiem. I když tato konfigurace potlačuje tvorbu dendritů, snižuje také energetickou hustotu baterie.

Pokud je tato elektroda vyrobena z čistého lithia, měly by baterie přibližně 10krát větší kapacitu, než je jejich současná kapacita. Pravděpodobně by však také explodovaly kvůli zvýšenému potenciálu tvorby dendritů.

Tato metoda je docela účinná. Baterie nižší kvality však nemají tendenci si je zcela osvojit, což může vést k výbuchu. I když je tomu tak, níže popsaná metoda by mohla být ještě lepším bezpečnostním mechanismem.

Nové řešení Drexel Researchers

Tým Drexel přišel s novým řešením, které udržuje energetickou hustotu čistého lithia a zvyšuje bezpečnost. Navrhli baterii, která využívá čistou lithiovou elektrodu. Aby se zabránilo tvorbě dendritu, infundují roztok elektrolytu nanodiamondy.

Nanodiamondy jsou velmi malé diamanty.

Nanodiamanty drasticky snižují riziko chemické reakce, ke které dochází na elektrodách, což vede k tvorbě dendritu. Lithium je během vybíjení baterie potaženo na jedné z elektrod. Nanodiamondy usnadňují rovnoměrný povlak a zabraňují dendritům.

Závěrečné myšlenky

Tým připouští, že zatímco tato metoda je na základě svých testů docela účinná, je těžké říci, že by jejich metoda úplně eliminovala tvorbu dendritů. S ohledem na výše uvedené je tato metoda velmi slibná, protože zvyšuje bezpečnost a umožňuje baterii s vyšší kapacitou.