Nowe baterie litowo-jonowe: nie wybuchają, ponieważ sztywnieją po uderzeniu

Baterie litowo-jonowe są bardzo często stosowane w elektronice konsumenckiej. Mają one jednak istotną wadę – potrafią zapalić się, gdy nie są poprawnie przechowywane, ładowane lub ich obudowa zostanie naruszona. Tego rodzaju awarie mają często poważne skutki: znane są przypadki poparzeń, pożarów i co najmniej jedna katastrofa lotnicza. Naukowcy, poszukując rozwiązania tego problemu, zainspirowali się własnościami pewnych materiałów, by rozwiązać powyższy problem.

„W ogniwie litowo-jonowym cienka warstwa plastiku rozdziela dwie elektrody”, mówi dr Gabriel Veith. „Jeśli bateria zostanie uszkodzona bądź przekładka pomiędzy elektrodami zawiedzie z innego powodu i elektrody zetkną się ze sobą, płynny elektrolit ogniwa może się zapalić”. Veith jest pracownikiem Oak Ridge National Laboratory w USA. Zajmuje się tam rozwijaniem ogniw litowo-jonowych.

Niektórzy badacze próbują zastąpić obecny elektrolit ciałem stałym, które nie jest palne, ale takie podejście wymaga istotnych zmian w procesie produkcji. Alternatywą jest, jak podaje Veith, dodanie do konwencjonalnych elektrolitów specjalnych substancji, które zapewniają, że twardnieje on w momencie uszkodzenia baterii.

Wynalazek zaczął się podczas niewinnej zabawy z dziećmi. Veith bawił się mieszanką skrobi i wody – znaną każdemu cieczą nienewtonowską. „Gdy położy się ją na płaskiej powierzchni to płynie, ale gdy zaczniemy w nią uderzać, twardnieje”, mówi badacz. „Gdy zredukujemy nacisk na tą ciecz, znowu staje się ona płynna. Chcieliśmy wykorzystać to zjawisko do produkcji bezpieczniejszych baterii”, dodaje.

Mieszanka skrobi z wodą jest koloidem – zawiesiną mikroskopijnych cząsteczek w cieczy. Veith uważa, że w elektrolicie ogniwa Li-ion zawiesić w ten sposób można nanocząsteczki krzemionkowe o średnicy około 200 nm. Przy uderzeniu zbijałyby się one w grupki i blokowały uszkodzenia. Kluczowy jest jednak wąski rozkład wielkości cząsteczek, aby mieszanina była homogeniczna.

Wyzwaniem jest jednak produkcja takich ogniw. Podczas produkcji tych akumulatorów elektrolit jest wstrzykiwany w gotowe ogniwo, które następnie jest zamykane. Nie da się tego zrobić z cieczą nienewtonowską – w momencie, gdy chcemy ją sprężyć w strzykawce, zmienia się ona niemalże w ciało stałe.

Problem ten rozwiązany został w bardzo prosty sposób. Do ogniwa w czasie produkcji najpierw podaje się nanocząsteczki krzemionki. Dopiero potem, na ostatnim etapie, zawieszane są one w elektrolicie, który podawany jest do akumulatora w klasyczny sposób – strzykawką. Badacze obecnie pracują nad zgłoszeniem patentowym na opracowaną przez siebie technologię produkcji wytrzymalszych ogniw litowo-jonowych.

W przyszłości zespół kierowany przez Veitha planuje rozwinąć opracowaną technologię. Badacze chcą, aby bateria po uszkodzeniu twardniała na stałe. W ten sposób uszkodzony obszar zostanie na stałe utwardzony i zabezpieczony przed np. wyciekiem elektrolitu. Pozostała część baterii mogłaby wtedy normalnie pracować. Zespół przewiduje, że tego rodzaju ogniwa znajdą swoje zastosowanie m.in. w samochodach elektrycznych czy też bezzałogowych pojazdach latających. Inny pomysł zakłada wojskowe wykorzystanie nowych ogniw – jako kamizelek odłamkoodpornych. Często dzisiejsi żołnierze, oprócz noszenia około 10 kilogramów różnego rodzaju pancerza, muszą nosić akumulatory do rozmaitych urządzeń elektronicznych, z jakich korzystają na polu bitwy. Technologia proponowana przez Veitha pozwala stworzyć ogniwo litowo-jonowe, które mogłoby funkcjonować także jako kamizelka kuloodporna.

Foto: Gabriel Veith