Flammen aufgeht ...
Handy-Batterien erwärmen sich oft und können manchmal in Flammen aufgehen. In den meisten Fällen kann der Schuldige für solche Vorfälle auf Lithiumbatterien zurückgeführt werden. Trotz lang anhaltender elektrischer Ströme, die Geräte mit Strom versorgen können, können Lithiumbatterien intern einen Kurzschluss verursachen und das Gerät erwärmen.
Forscher der Texas A & M University haben eine Technologie erfunden, die verhindern kann, dass sich Lithiumbatterien erwärmen und ausfallen. Ihr Kohlenstoffnanoröhrendesign für die leitende Platte der Batterie, die als Anode bezeichnet wird, ermöglicht die sichere Speicherung einer großen Menge von Lithiumionen, wodurch die Brandgefahr verringert wird. Ferner sagten sie, dass ihre neue Anodenarchitektur dazu beitragen wird, dass Lithiumbatterien schneller aufgeladen werden als derzeit im Handel erhältliche Batterien.
"Wir haben die nächste Generation von Anoden für Lithiumbatterien entwickelt, die effizient große und anhaltende Ströme erzeugen, die zum schnellen Laden von Geräten erforderlich sind", sagte Juran Noh, ein Doktorand der Materialwissenschaften im Labor von Dr. Choongho Yu im J. Mike Walker '. 66 Fakultät für Maschinenbau. "Außerdem verhindert diese neue Architektur, dass sich Lithium außerhalb der Anode ansammelt, was im Laufe der Zeit zu einem unbeabsichtigten Kontakt zwischen den Inhalten der beiden Batteriefächer führen kann. Dies ist eine der Hauptursachen für Geräteexplosionen."
Ihre Ergebnisse werden in der März-Ausgabe der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.
Wenn Lithiumbatterien verwendet werden, bewegen sich geladene Partikel zwischen den beiden Fächern der Batterie. Von Lithiumatomen abgegebene Elektronen bewegen sich von einer Seite der Batterie zur anderen. Andererseits bewegen sich Lithiumionen in die andere Richtung. Beim Laden des Akkus kehren Lithiumionen und Elektronen in ihre ursprünglichen Fächer zurück.
Daher spielt die Eigenschaft der Anode oder des elektrischen Leiters, der Lithiumionen in der Batterie enthält, eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften der Batterie. Ein häufig verwendetes Anodenmaterial ist Graphit. In diesen Anoden werden Lithiumionen zwischen Graphitschichten eingefügt. Laut Noh begrenzt dieses Design jedoch die Menge an Lithiumionen, die in der Anode gespeichert werden können, und benötigt sogar mehr Energie, um die Ionen während des Ladens aus dem Graphit herauszuziehen.
Diese Batterien haben auch ein heimtückischeres Problem. Manchmal lagern sich Lithiumionen nicht gleichmäßig auf der Anode ab. Stattdessen sammeln sie sich in Stücken auf der Oberfläche der Anode an und bilden baumartige Strukturen, sogenannte Dendriten. Mit der Zeit wachsen die Dendriten und durchdringen schließlich das Material, das die beiden Fächer der Batterie trennt. Dieser Verstoß führt zu einem Kurzschluss der Batterie und kann das Gerät in Brand setzen. Wachsende Dendriten beeinträchtigen auch die Leistung der Batterie, indem sie Lithiumionen verbrauchen und sie für die Stromerzeugung nicht verfügbar machen.
Noh sagte, dass ein anderes Anodendesign die Verwendung von reinem Lithiummetall anstelle von Graphit beinhaltet. Im Vergleich zu Graphitanoden weisen solche mit Lithiummetall einen viel höheren Energiegehalt pro Masseneinheit oder Energiedichte auf. Aber auch sie können aufgrund der Bildung von Dendriten auf die gleiche katastrophale Weise versagen.
Um dieses Problem anzugehen, entwickelten Noh und ihre Teamkollegen Anoden aus hochleitfähigen, leichten Materialien, sogenannten Kohlenstoffnanoröhren. Diese Gerüste aus Kohlenstoffnanoröhren enthalten Räume oder Poren, in die Lithiumionen eindringen und sich ablagern können. Diese Strukturen binden jedoch nicht günstig an Lithiumionen.
Daher stellten sie zwei weitere Kohlenstoffnanoröhrenanoden mit leicht unterschiedlicher Oberflächenchemie her - eine mit einer Fülle von Molekülgruppen, die an Lithiumionen binden können, und eine mit denselben Molekülgruppen, jedoch in geringerer Menge. Mit diesen Anoden bauten sie Batterien, um die Neigung zur Bildung von Dendriten zu testen.
Wie erwartet stellten die Forscher fest, dass Gerüste, die nur aus Kohlenstoffnanoröhren hergestellt wurden, nicht gut an Lithiumionen binden. Folglich gab es fast keine Dendritenbildung, aber die Fähigkeit der Batterie, große Ströme zu erzeugen, wurde ebenfalls beeinträchtigt. Andererseits bildeten Gerüste mit einem Überschuss an Bindungsmolekülen viele Dendriten, was die Lebensdauer der Batterie verkürzte.
Die Kohlenstoffnanoröhrenanoden mit einer optimalen Menge der Bindungsmoleküle verhinderten jedoch die Bildung von Dendriten. Darüber hinaus könnte sich eine große Menge an Lithiumionen an der Oberfläche des Gerüsts binden und ausbreiten, wodurch die Fähigkeit der Batterie erhöht wird, große, anhaltende Ströme zu erzeugen.
"Wenn die bindenden Molekülgruppen reichlich vorhanden sind, verstopfen Lithiummetallcluster aus Lithiumionen nur die Poren auf den Gerüsten", sagte Noh. "Aber wenn wir genau die richtige Menge dieser Bindungsmoleküle hätten, könnten wir die Gerüste aus Kohlenstoffnanoröhren an nur bestimmten Stellen 'entpacken', so dass Lithiumionen durchkommen und sich an die gesamte Oberfläche der Gerüste binden können, anstatt sich an der Außenseite anzusammeln Oberfläche der Anode und bilden Dendriten. "
Noh sagte, dass ihre leistungsstärksten Anoden fünfmal mehr Ströme verarbeiten als handelsübliche Lithiumbatterien. Sie stellte fest, dass diese Funktion besonders für Großbatterien wie t nützlich ist.
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