Verhinderung von Explosionen von Lithium-Ionen-Akkus mit Diamanten

Im Vergleich zu anderen Batterietechnologien weisen Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) eine relativ hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer auf. 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 von tragbaren Elektronikgeräten und Elektrofahrzeugen. Sie besitzen zwar wünschenswerte Eigenschaften und übertreffen andere im Handel erhältliche Technologien, sind jedoch nicht unproblematisch.

Li-Ionen-Akkus können unter den richtigen Bedingungen gefährlich explodieren. Dies gibt Anlass zur Sorge. Ihre potenzielle Gefahr besteht darin, dass Fluggesellschaften diese Batterietechnologie nur im Handgepäck zulassen.

Wenn es um das explodierende Thema Li-Ionen-Akkus geht, fällt einem sofort das berüchtigte Samsung Galaxy Note 7 ein. Mehrere Batterien dieses schließlich zurückgerufenen Samsung-Geräts explodierten einfach.

Die Kontroverse um explodierende Hoverboards taucht ebenfalls auf. Der gemeinsame Nenner dieser beiden Szenarien ist, dass die Explosionen auf fehlerhafte Li-Ionen-Batterien zurückzuführen sind.

Während diese beiden Fälle viel Aufmerksamkeit fanden, sind andere Geräte, die Li-Ionen-Batterien enthalten, bereits explodiert. Obwohl dies bei ordnungsgemäß qualitätskontrollierten Batterien selten vorkommt, ist eine explodierende Li-Ionen-Batterie ein ernstes Risiko, das nicht leichtfertig eingenommen werden sollte.

Eine Gruppe von Forschern der Drexel-Universität hat erkannt, dass mit dieser Batterietechnologie immer noch Risiken verbunden sind, und hat eine interessante Wendung in dieser Geschichte gefunden. 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 Hauptkomponenten einer Batterie sind wie folgt:

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

Wie Lithium-Ionen-Batterien ausfallen und anschließend explodieren

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

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

Dendriten sind Ansammlungen, die sich im Inneren eines Li-Ionen-Akkus 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 entzündet wird, wird er normalerweise eine Explosion verursachen.

Sicherheitsmaßnahmen

Zum Glück gibt es Sicherheitsmechanismen in hochwertigen Li-Ionen-Batterien.

Aktuelle Maßnahmen

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

Wenn diese Elektrode aus reinem Lithium besteht, haben Batterien etwa die zehnfache Kapazität. Es ist jedoch auch wahrscheinlicher, dass sie explodieren, da ein erhöhtes Potenzial für die Bildung von Dendriten besteht.

Diese Methode ist sehr effektiv. Batterien von unterdurchschnittlicher Qualität neigen jedoch dazu, nicht ganz richtig zu funktionieren, was zu Explosionen führen kann. Während dies der Fall ist, könnte das als nächstes beschriebene Verfahren möglicherweise einen noch besseren Sicherheitsmechanismus darstellen.

Drexel-Forscher neuartige Lösung

Das Drexel-Team entwickelte eine neuartige Lösung, um die Energiedichte von reinem Lithium beizubehalten und gleichzeitig die Sicherheit zu erhöhen. Sie entwickelten 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 das Risiko einer chemischen Reaktion an den Elektroden, die zur Bildung von Dendriten führt, drastisch. Während der Batterieentladung wird eine der Elektroden mit Lithium beschichtet. Die Nanodiamanten ermöglichen eine gleichmäßige Beschichtung und verhindern Dendriten.

Abschließende Gedanken

Das Team räumt ein, dass diese Methode zwar aufgrund ihrer Tests ziemlich effektiv ist, es jedoch schwer zu sagen ist, dass ihre Methode die Dendritenbildung vollständig eliminieren würde. Trotzdem ist diese Methode vielversprechend, da sie die Sicherheit erhöht und eine Batterie mit höherer Kapazität ermöglicht.