Slimme lithium-ion batterij waarschuwt als hij in de fik vliegt (video)

"Wij willen een early-warning systeem creëren dat levens en goederen spaart", zegt Yi Cui, associate professor materiaalwetenschappen en engineering op Stanford. "het systeem kan problemen detecteren die optreden tijdens normaal gebruik van de batterij, maar het is niet bedoeld voor batterijen doe zijn beschadigd bij een botsing of ander ongeluk."

Incidenten

Een reeks incidenten in de afgelopen jaren leidde tot zorgen over de veiligheid van lithium-ion batterijen. In 2013 hield Boeing zijn nieuwe 787 Dreamliner vloot tijdelijk aan de grond, nadat de batterijpakketten in twee vliegtuigen in brand waren gevlogen. De oorzaak van de brand is nog steeds niet vastgesteld.

In 2006 haalde Sony miljoenen lithium-ion batterijen terug na een aantal meldingen van brand in consumentenlaptops. Sony verklaarde dat bij de productie kleine metalen onzuiverheden in de batterijen terecht waren gekomen die kortsluiting veroorzaakten.

"De kans dat zoiets ergs gebeurt is misschien een op een miljoen", denkt Cui. "Dat is nog steeds een groot probleem, gezien de honderden miljoenen mobiele telefoons en computers die jaarlijks worden verkocht. Wij willen de kans dat een batterij in brand vliegt verlagen tot één op een miljard, of zelfs tot nul."

Separator

Een normale lithium-ion batterij bestaat uit twee dicht op elkaar gepakte elektroden, een koolstof anode en een lithiummetaaloxide kathode – met een ultradunne polymeer separator er tussen. De separator scheidt de elektroden. Als hij beschadigt kan er kortsluiting ontstaan waardoor de ontvlambare elektrolytoplossing, die de ionen transporteert, kan ontbranden.

"De separator is gemaakt van hetzelfde materiaal als plastic flessen", zegt student Denys Zhuo, medeauteur van een artikel over het onderzoek. "Het is poreus, zodat lithiumionen tussen de elektroden kunnen vloeien als de batterij laadt en ontlaadt."

Productiedefecten, zoals metaaldeeltjes en stof, kunnen de separator doorboren en kortsluiting veroorzaken, zoals Sony in 2006 ontdekte. Kortsluiting kan ook optreden als de batterij te snel wordt geladen of als de temperatuur te laag is. "De lithiumionen blijven dan vastzitten aan de anode en stapelen zich op, waarbij ze ketens van lithium vormen, zogeheten dendrieten", legt Cui uit. "De dendrieten kunnen de poreuze separator penetreren en uiteindelijk contact maken met de kathode, waardoor de batterij is kortgesloten."

Slimme oplossing

"De afgelopen jaren hebben we nagedacht over het bouwen van een slimme separator die het begin van kortsluiting kan detecteren – nog voor de dendrieten de kathode bereiken", aldus Cui. Om dat te realiseren brachten Cui en zijn collega’s een nanolaag koper aan op één kant van de separator, waardoor een nieuwe derde elektrode ontstaat, halverwege de anode en de kathode.

"De koperlaag werkt als sensor die het mogelijk maakt om het spanningsverschil tussen de anode en de separator te meten", zegt Zhuo. "Als de dendrieten lang genoeg worden en de koperen coating bereiken, wordt die spanning nul. Daardoor weet je dat de dendrieten al zijn gegroeid tot halverwege de batterij. Dat is een waarschuwing dat de batterij moet worden vervangen."

De opbouw van dendrieten treedt vooral op tijdens het laden en niet tijdens de ontladingsfase, als de batterij in gebruik is.

Maatregelen

"Je zou een waarschuwing op je telefoon kunnen krijgen dat je de batterij moet vervangen", zegt Zhuo. "Dar zou je genoeg tijd geven. Maar als je rook of vuur ziet moet je direct maatregelen nemen – het zou wel eens kunnen dat je te weinig tijd hebt om te ontsnappen. Als je nog veiliger wilt zijn kun je de koperlaag dichter bij de elektrode aanbrengen. Dan weet je nog eerder dat de batterij kapot gaat."

De early-warning technologie kan ook worden gebruik in zink- aluminium en andere metaalbatterijen. "Het werkt in elke batterij waar het nodig is om een kortsluiting te detecteren voordat hij explodeert", stelt Cui.

Lees ook:  Researchers achieve ‘holy grail’ of battery design: A stable lithium anode