Explosionen von Lithium-Ionen-Batterien mit Diamanten verhindern

Im Vergleich zu anderen Batterietechnologien haben Lithium-Ionen (Li-Ion) Batterien eine relativ hohe Energiedichte und lange Lebensdauer. Ihre Entwicklung im Laufe der Jahre hat es ihnen ermöglicht, in einer Reihe von Bereichen die Batterietechnologie der Wahl zu sein.

Dazu gehören die Stromversorgung tragbarer Elektronik und elektrische Fahrzeuge. Obwohl sie wünschenswerte Eigenschaften besitzen und andere im Handel erhältliche Technologien übertreffen, sind sie jedoch nicht ohne Probleme.

Li-Ionen-Akkus kann unter den richtigen Bedingungen gefährlich explodieren. Dies ist Anlass zu großer Sorge. Ihr Gefahrenpotential ist so groß, dass Fluggesellschaften diese Batterietechnologie nur im Handgepäck zulassen.

Wenn das Thema explodierender Li-Ion-Akkus aufkommt, ist das berüchtigt Samsung Galaxy Note 7 fällt mir sofort ein. Mehrere Batterien dieses schließlich zurückgerufenen Samsung-Geräts sind einfach explodiert.

Die damit verbundene Kontroverse explodierende Hoverboards taucht auch auf. Der gemeinsame Nenner zwischen diesen beiden Szenarien ist, dass die Explosionen auf fehlerhafte Li-Ionen-Batterien zurückzuführen sind.

Während diese 2 Fälle viel Aufmerksamkeit erregten, andere Geräte Lithium-Ionen-Akkus sind schon einmal explodiert. Obwohl dies bei ordnungsgemäß qualitätsgeprüften Batterien selten vorkommt, stellt eine explodierende Lithium-Ionen-Batterie ein ernsthaftes Risiko dar, das nicht auf die leichte Schulter genommen werden sollte.

Eine Gruppe von Forschern aus Drexel-Universität erkannt, dass mit dieser Batterietechnologie noch Risiken verbunden sind, und haben sich eine ausgedacht interessante Wendung zu dieser Geschichte. Sie verwenden Diamanten, um die Batterien stabiler zu machen! Ich möchte Ihnen wirklich alles über diese neuartige Lösung erzählen, aber lassen Sie uns zunächst einige Hintergrundinformationen durchgehen.

Die Hauptbestandteile einer Batterie sind wie folgt:

• Plus- und Minuspol: Dies sind die Anlaufstellen für Elektrogeräte. Sie ermöglichen den Stromfluss von der Batterie zum Gerät.
• Anode und Kathode: An diesen Elektroden laufen chemische Reaktionen ab, die für die Stromerzeugung verantwortlich sind.
• Elektrolyt: Dies ist ein Medium, das den Ladungsfluss zwischen Kathode und Anode ermöglicht.

Wie Lithium-Ionen-Batterien versagen und anschließend explodieren

Explosionen in Li-Ionen-Batterien treten hauptsächlich aufgrund des Kurzschlusses der Plus- und Minuspole auf. Die Bildung von Dendriten genannten Strukturen im Inneren von Batterien kann diese Kurzschlüsse verursachen.

EIN Kurzschluss ist eine elektrische Verbindung, die einen übermäßigen Stromfluss verursacht und Wärme erzeugt.

Dendriten sind Ablagerungen, die sich im Inneren einer Li-Ionen-Batterie bilden können.

Im Wesentlichen schließen diese Dendriten die positiven und negativen Pole der Batterie kurz, erzeugen große Mengen an Wärme und entzünden den Elektrolyten im Inneren der Batterie.

Die meisten Elektrolyte sind brennbar. Wenn ein Elektrolyt gezündet wird, verursacht er normalerweise eine Explosion.

Sicherheitsmaßnahmen

Glücklicherweise gibt es in hochwertigen Li-Ionen-Akkus Sicherheitsmechanismen.

Aktuelle Maßnahmen

Um die Bildung von Dendriten zu verhindern, verwenden derzeit auf dem Markt befindliche Li-Ionen-Batterien eine Graphitelektrode, die mit Lithium gefüllt ist. Während diese Konfiguration die Bildung von Dendriten unterdrückt, verringert sie auch die Energiedichte der Batterie.

Wenn diese Elektrode aus reinem Lithium besteht, hätten Batterien etwa das 10-fache ihrer derzeitigen Kapazität. Sie würden jedoch aufgrund eines erhöhten Potenzials zur Dendritenbildung auch eher explodieren.

Diese Methode ist sehr effektiv. Batterien von minderer Qualität neigen jedoch dazu, es nicht ganz richtig zu machen, was zu Explosionen führen kann. Während dies der Fall ist, könnte das als nächstes beschriebene Verfahren möglicherweise ein noch besserer Sicherheitsmechanismus sein.

Neuartige Lösung der Drexel-Forscher

Das Drexel-Team entwickelte eine neuartige Lösung, um die Energiedichte von reinem Lithium beizubehalten und gleichzeitig die Sicherheit zu verbessern. Sie entwarfen eine Batterie, die eine reine Lithiumelektrode verwendet. Um der Dendritenbildung entgegenzuwirken, infundieren sie die Elektrolytlösung mit Nanodiamanten.

Nanodiamanten sind extrem kleine Diamanten.

Die Nanodiamanten reduzieren drastisch das Risiko einer chemischen Reaktion an den Elektroden, die zur Bildung von Dendriten führt. Lithium wird während der Batterieentladung auf eine der Elektroden aufgetragen. Die Nanodiamanten ermöglichen eine gleichmäßige Beschichtung und verhindern Dendriten.

Abschließende Gedanken

Das Team räumt ein, dass diese Methode, basierend auf ihren Tests, zwar recht effektiv ist, es aber schwer zu sagen ist, dass ihre Methode die Bildung von Dendriten vollständig eliminieren würde. Abgesehen davon ist diese Methode sehr vielversprechend, da sie die Sicherheit erhöht und eine Batterie mit höherer Kapazität ermöglicht.

Zuletzt aktualisiert am 03. Februar 2022

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