I nanoingegneri dell'Università della California a San Diego hanno sviluppato una funzione di sicurezza che impedisce alle batterie al litio metallico di surriscaldarsi rapidamente e di prendere fuoco in caso di cortocircuito interno.

Il team ha apportato una modifica intelligente alla parte della batteria chiamata separatore, che funge da barriera tra anodo e catodo, in modo da rallentare il flusso di energia (e quindi di calore) che si accumula all'interno della batteria quando va in cortocircuito.

I ricercatori, guidato dal professore di nanoingegneria della UC San Diego Ping Liu e dal suo dottorato di ricerca. studente Matthew Gonzalez, dettagliare il loro lavoro in un articolo pubblicato in Materiale avanzato .

"Non stiamo cercando di impedire che si verifichi un guasto della batteria. Lo stiamo rendendo molto più sicuro in modo che quando si guasta, la batteria non si incendia o esplode in modo catastrofico, " disse González, chi è il primo autore dell'articolo.

Le batterie al litio metallico si guastano a causa della crescita di strutture aghiformi chiamate dendriti sull'anodo dopo ripetute cariche. Col tempo, i dendriti crescono abbastanza a lungo da perforare il separatore e creare un ponte tra l'anodo e il catodo, provocando un cortocircuito interno. Quando ciò accade, il flusso di elettroni tra i due elettrodi va fuori controllo, causando il surriscaldamento immediato della batteria e l'interruzione del funzionamento.

Il separatore che il team dell'UC San Diego ha sviluppato essenzialmente attutisce questo colpo. Un lato è coperto da un sottile, rete parzialmente conduttiva di nanotubi di carbonio che intercetta eventuali dendriti che si formano. Quando un dendrite perfora il separatore e colpisce questa rete, gli elettroni ora hanno un percorso attraverso il quale possono drenare lentamente piuttosto che correre direttamente verso il catodo tutto in una volta.

Gonzalez ha paragonato il nuovo separatore di batterie allo sfioratore di una diga.

"Quando una diga inizia a cedere, viene aperto uno sfioratore per far fuoriuscire parte dell'acqua in modo controllato in modo che quando la diga si rompe e fuoriesce, non è rimasta molta acqua per causare un'inondazione, " ha detto. "Questa è l'idea con il nostro separatore. Stiamo scaricando molto la carica, molto più lento ed evitare un 'inondazione' di elettroni al catodo. Quando un dendrite viene intercettato dallo strato conduttivo del separatore, la batteria può iniziare a scaricarsi automaticamente in modo che quando la batteria va in corto, non c'è abbastanza energia rimasta per essere pericoloso."

Altri sforzi di ricerca sulle batterie si concentrano sulla costruzione di separatori con materiali abbastanza resistenti da impedire la penetrazione dei dendriti. Ma un problema con questo approccio è che non fa altro che prolungare l'inevitabile, ha detto González. Questi separatori devono ancora avere pori che lasciano passare gli ioni affinché la batteria funzioni. Come conseguenza, quando i dendriti alla fine ce la faranno, il corto circuito sarà anche peggio.

Piuttosto che bloccare i dendriti, il team dell'UC San Diego ha cercato di mitigare i loro effetti.

Nei test, le batterie al litio metallico dotate del nuovo separatore hanno mostrato segni di cedimento graduale nell'arco di 20-30 cicli. Nel frattempo, le batterie con un separatore normale (e leggermente più spesso) hanno subito un brusco guasto in un singolo ciclo.

"In uno scenario di caso d'uso reale, non avresti alcun preavviso che la batteria sta per guastarsi. Potrebbe andare bene un secondo, poi prendere fuoco o mandare in cortocircuito completamente il successivo. è imprevedibile, " Gonzalez ha detto. "Ma con il nostro separatore, riceveresti un avviso anticipato che la batteria sta peggiorando un po', un po' peggio, un po' peggio, ogni volta che lo carichi."

Mentre questo studio si è concentrato sulle batterie al litio metallico, i ricercatori affermano che il separatore può funzionare anche con batterie agli ioni di litio e altri prodotti chimici. Il team lavorerà all'ottimizzazione del separatore per l'uso commerciale. Un brevetto provvisorio è stato depositato dall'UC San Diego.