Le batterie agli ioni di litio comunemente utilizzate nell'elettronica di consumo sono note per esplodere in fiamme se danneggiate o imballate in modo improprio. Questi incidenti hanno occasionalmente gravi conseguenze, comprese le ustioni, incendi domestici e almeno un incidente aereo. Ispirato allo strano comportamento di alcuni liquidi che si solidificano all'impatto, i ricercatori hanno sviluppato un modo pratico ed economico per aiutare a prevenire questi incendi.

Presenteranno i loro risultati oggi al 256° National Meeting &Exposition dell'American Chemical Society (ACS).

"In una batteria agli ioni di litio, un sottile pezzo di plastica separa i due elettrodi, " Gabriel Veith, dottorato di ricerca, dice. "Se la batteria è danneggiata e lo strato di plastica si rompe, gli elettrodi possono entrare in contatto e provocare l'incendio dell'elettrolita liquido della batteria."

Per rendere queste batterie più sicure, alcuni ricercatori usano invece un non infiammabile, elettrolita solido. Ma queste batterie a stato solido richiedono una riorganizzazione significativa dell'attuale processo di produzione, Veith dice. In alternativa, la sua squadra mescola un additivo nell'elettrolita convenzionale per creare un elettrolita resistente agli urti. Si solidifica quando viene colpito, impedendo che gli elettrodi si tocchino se la batteria viene danneggiata durante una caduta o un incidente. Se gli elettrodi non si toccano, la batteria non prende fuoco. Anche meglio, incorporare l'additivo richiederebbe solo piccoli aggiustamenti al processo di produzione della batteria convenzionale.

Il momento eureka del progetto è arrivato quando Veith ei suoi figli stavano giocando con un mix di amido di mais e acqua noto come oobleck. "Se metti il ​​composto su una teglia per biscotti, scorre come un liquido finché non inizi a punzecchiarlo, e poi diventa un solido, "dice Veith, che ha sede presso l'Oak Ridge National Laboratory ed è il principale investigatore del progetto. Dopo che la pressione è stata rimossa, la sostanza si liquefa nuovamente. Veith si rese conto che poteva sfruttare questo comportamento reversibile di "ispessimento a taglio" per rendere le batterie più sicure.

Questa caratteristica dipende da un colloide, che è una sospensione di minuscoli, particelle solide in un liquido. In caso di oobleck, il colloide è costituito da particelle di amido di mais sospese in acqua. Per il colloide della batteria, Veith e i suoi colleghi di Oak Ridge e dell'Università di Rochester hanno utilizzato la silice sospesa in comuni elettroliti liquidi per le batterie agli ioni di litio. All'impatto, le particelle di silice si aggregano e bloccano il flusso di fluidi e ioni, lui spiega. I ricercatori hanno usato perfettamente sferico, Particelle di silice da 200 nanometri di diametro, o essenzialmente una sabbia superfine. "Se hai quella dimensione delle particelle molto uniforme, le particelle si disperdono omogeneamente nell'elettrolita, e funziona a meraviglia, " dice Veith. "Se non sono di dimensioni omogenee, quindi il liquido diventa meno viscoso all'impatto, e questo è un male".

Alcuni altri laboratori hanno studiato l'ispessimento a taglio per rendere le batterie più sicure. Un team ha precedentemente riferito sulla ricerca con la silice "fumata", che consiste di minuscole particelle irregolari di silice. Un altro gruppo ha recentemente riportato l'effetto dell'uso di particelle di silice a forma di bastoncino. Veith pensa che le sue particelle sferiche potrebbero essere più facili da realizzare rispetto alla silice a forma di bastoncino e avere una risposta più rapida e una maggiore potenza di arresto all'impatto rispetto alla silice pirogenica.

Uno dei principali progressi di Veith riguarda il processo di produzione delle batterie. Durante la produzione delle tradizionali batterie agli ioni di litio, un elettrolita viene spruzzato nella custodia della batteria alla fine del processo di produzione, e poi la batteria è sigillata. "Non puoi farlo con un elettrolita ispessente perché nel momento in cui provi a iniettarlo, si solidifica, " dice. I ricercatori hanno risolto questo problema mettendo la silice in posizione prima di aggiungere l'elettrolita. Stanno cercando un brevetto sulla loro tecnica.

Nel futuro, Veith prevede di migliorare il sistema in modo che la parte della batteria danneggiata in un incidente rimanga solida, mentre il resto della batteria continuerà a funzionare. Il team punta inizialmente ad applicazioni come batterie per droni, ma alla fine vorrebbe entrare nel mercato automobilistico. Hanno anche in programma di realizzare una versione più grande della batteria, che sarebbe in grado di fermare un proiettile. Ciò potrebbe giovare ai soldati, che spesso trasportano 20 libbre di armatura e 20 libbre di batterie quando sono in missione, Veith dice. "La batteria funzionerebbe come la loro armatura, e questo alleggerirebbe il soldato medio di circa 20 libbre."