Le batterie al litio sono ciò che consente ai veicoli elettrici di percorrere diverse centinaia di miglia con una sola carica. La loro capacità di immagazzinare energia è ben nota, ma lo è anche la loro tendenza a prendere fuoco occasionalmente, un evento noto ai ricercatori delle batterie come "fuga termica". Questi incendi si verificano più frequentemente quando le batterie si surriscaldano o si avviano rapidamente. Con sempre più veicoli elettrici in circolazione ogni anno, la tecnologia delle batterie deve adattarsi per ridurre la probabilità di questi incendi pericolosi e catastrofici.

I ricercatori dell'Università dell'Illinois al Chicago College of Engineering riferiscono che il grafene, materiale miracoloso del 21° secolo, potrebbe togliere l'ossigeno dagli incendi delle batterie al litio. Riportano i loro risultati sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

Le ragioni per cui le batterie al litio prendono fuoco includono il ciclo rapido o la carica e la scarica, e alte temperature nella batteria. Queste condizioni possono causare il catodo all'interno della batteria, che nel caso della maggior parte delle batterie al litio è un ossido contenente litio, di solito ossido di litio cobalto, per decomporre e rilasciare ossigeno. Se l'ossigeno si combina con altri prodotti infiammabili emessi dalla decomposizione dell'elettrolita a calore sufficientemente elevato, può verificarsi una combustione spontanea.

"Abbiamo pensato che se ci fosse un modo per impedire all'ossigeno di lasciare il catodo e di mescolarsi con altri prodotti infiammabili nella batteria, potremmo ridurre le possibilità che si verifichi un incendio, " disse Reza Shahbazian-Yassar, professore associato di ingegneria meccanica e industriale presso l'UIC College of Engineering e corrispondente autore dell'articolo.

Si scopre che un materiale che Shahbazian-Yassar conosce molto bene ha fornito una soluzione perfetta a questo problema. Quel materiale è il grafene, uno strato supersottile di atomi di carbonio con proprietà uniche. Shahbazian-Yassar e i suoi colleghi in precedenza avevano utilizzato il grafene per aiutare a modulare l'accumulo di litio sugli elettrodi nelle batterie al litio metallico.

Shahbazian-Yassar e i suoi colleghi sapevano che i fogli di grafene sono impermeabili agli atomi di ossigeno. Anche il grafene è forte, flessibile e può essere realizzato per essere elettricamente conduttivo. Shahbazian-Yassar e Soroosh Sharifi-Asl, uno studente laureato in ingegneria meccanica e industriale presso l'UIC e autore principale del documento, pensava che se avessero avvolto nel grafene particelle molto piccole del catodo di ossido di litio e cobalto di una batteria al litio, potrebbe impedire la fuoriuscita di ossigeno.

Primo, i ricercatori hanno alterato chimicamente il grafene per renderlo elettricamente conduttivo. Prossimo, hanno avvolto le minuscole particelle dell'elettrodo catodico di ossido di litio e cobalto nel grafene conduttivo.

Quando hanno osservato le particelle di ossido di litio e cobalto avvolte in grafene utilizzando la microscopia elettronica, hanno visto che il rilascio di ossigeno ad alto calore è stato ridotto significativamente rispetto alle particelle non imballate.

Prossimo, hanno legato insieme le particelle avvolte con un materiale legante per formare un catodo utilizzabile, e l'ha incorporato in una batteria al litio metallico. Quando hanno misurato l'ossigeno rilasciato durante il ciclo della batteria, hanno visto quasi nessun ossigeno fuoriuscire dai catodi anche a tensioni molto elevate. La batteria al litio metallico ha continuato a funzionare bene anche dopo 200 cicli.

"La batteria a catodo avvolto ha perso solo circa il 14% della sua capacità dopo un ciclo rapido rispetto a una batteria al litio metallico convenzionale in cui le prestazioni sono diminuite di circa il 45% nelle stesse condizioni, “Ha detto Sharifi-Asl.

"Il grafene è il materiale ideale per bloccare il rilascio di ossigeno nell'elettrolita, " Shahbazian-Yassar ha detto. "È impermeabile all'ossigeno, elettricamente conduttivo, flessibile, ed è abbastanza forte da resistere alle condizioni all'interno della batteria. È spesso solo pochi nanometri, quindi non ci sarebbe massa extra aggiunta alla batteria. La nostra ricerca mostra che il suo utilizzo nel catodo può ridurre in modo affidabile il rilascio di ossigeno e potrebbe essere un modo per ridurre significativamente il rischio di incendio in queste batterie, che alimentano qualsiasi cosa, dai nostri telefoni alle nostre auto".