Thin-film technology to eliminate risk of lithium battery fire / La tecnologia a film sottile per eliminare il rischio di incendio della batteria al litio.
A relatively simple fix could be the key to developing solid-state lithium-ion batteries, without the flammability problem of conventional Li-ion cells
The propensity for lithium-ion batteries to catch fire has had major connotations in recent years, temporarily grounding Boeing’s fleet of 787 Dreamliners in 2015 and potentially spoiling Samsung’s reputation for making high-quality consumer electronics after problems with fires in its Galaxy Note tablets.
The problem is caused by the liquid electrolyte used in most cells, which is flammable, especially at high temperatures. One way to get around this is to use a solid-state battery; but attempts to develop an efficient solid lithium-ion cell have stumbled because of difficulty in achieving electron flow between the electrodes inside the cell. Researchers at the University of Maryland Energy Research Centre and the A. James Clark School of Engineering now believe they have solved this problem.
The team, led by energy specialist Eric Wachsman and materials scientist Liangbing Hu, is working on batteries whose electrolyte is made from the mineral garnet, which are crystals of silicate associated generally with two or more metal ions.
Garnet has been used as a gemstone for millennia, and in more recent decades is also widely used as material in lasers. It conducts ions very well, and is very stable electrochemically, but its problem is that the impedance (electrical resistance) at the interface between a solid electrode and solid garnet is very high, so electrons cannot flow and complete the electrochemical circuit that releases the battery’s stored energy. The Maryland team has addressed this by depositing a thin film of aluminium oxide (Al203) onto the electrode surface.
In a paper in Nature Materials, the team explains that the ultrathin film reduced the impedance at the electrode-garnet interface from 1710 ohm/cm2 to only one ohm/cm2, while not stopping the flow of lithium ions. Moreover, because the garnet is so stable, the team could use electrodes made of metallic lithium at the cell anode – giving the highest possible theoretical energy density. The cell used high-capacity sulphur cathodes. The result is a battery that is easy to charge, discharges readily, is not flammable and retains low-cost; this trifecta of performance, safety and price will make them attractive to the market, Hu claims.
In a statement issued by the A. James Clark School of Engineering (a specialist department within the University of Maryland) Prof John Goodenough, a pioneer in lithium-ion cell development and now holder of a Chair in Engineering at the University of Texas, who was not involved with the research, pointed out two important innovations in the team’s work: first, they changed the composition of the garnet to a dense polycrystalline solid with tight grain boundaries; and second, the aluminium oxide film prevents formation of whiskery substances known as dendrites on the surface of the anode during charging which block ion and electron transport. “”This [finding] is of considerable interest to those working to replace the flammable liquid electrolyte of the lithium-ion rechargeable battery with a solid electrolyte from which a lithium anode can be plated dendrite-free when a cell is being charged,” Goodenough said.
ITALIANO
Una relativamente semplice correzione potrebbe essere la chiave per lo sviluppo di batterie agli ioni di litio a stato solido, senza il problema di infiammabilità delle celle agli ioni di litio convenzionali.
La propensione per le batterie agli ioni di litio a prendere fuoco ha avuto importanti effetti negli ultimi anni, la messa a terra temporanea della flotta di Boeing 787 Dreamliner nel 2015 e potenzialmente rovinare la reputazione di Samsung per la fabbricazione di elettronica di consumo di alta qualità, dopo i problemi con i fuochi nei suoi tablet Galaxy Note.
Il problema è causato dall'elettrolita liquido utilizzato nella maggior parte delle cellule, che è infiammabile, soprattutto alle alte temperature. Un modo per aggirare il problema è quello di utilizzare una batteria a stato solido; ma i tentativi di sviluppare una cella al litio solido efficiente hanno incontrato difficoltà a causa della difficoltà nel raggiungere un flusso di elettroni tra gli elettrodi all'interno della cellula. I ricercatori dell'Università del Maryland Centro di ricerca energia e la A. James Clark School of Engineering ora credono di aver risolto questo problema.
Il gruppo, guidato da specialisti di energia Eric Wachsman e per materiali dallo scienziato Liangbing Hu, sta lavorando su batterie il cui elettrolita è costituito dal granata minerale, che sono cristalli di silicati associate generalmente con due o più ioni metallici.
Garnet è stato utilizzato come una pietra preziosa per millenni, e nei decenni più recenti, è anche ampiamente utilizzato come materiale per la realizzazione dei laser. E' un buon conduttore di ioni, ed è molto stabile elettrochimicamente, ma il suo problema è che l'impedenza (resistenza elettrica) all'interfaccia tra un elettrodo solido e il granato solido è molto alta, quindi gli elettroni non possono fluire e completare il circuito elettrochimico che rilascia la batteria l' energia immagazzinata dalla la batteria . Il gruppo di Maryland ha affrontato questo problema depositando una sottile pellicola di ossido di alluminio (Al203) sulla superficie dell'elettrodo.
In un articolo in Nature Materials, il gruppo spiega che il film ultrasottile riduce l'impedenza all'interfaccia elettrodo-granato dal 1710 ohm / cm2 ad un solo ohm / cm2, pur non interrompendo il flusso di ioni di litio. Inoltre, poiché il granato è così stabile, il gruppo potrebbe utilizzare elettrodi in litio metallico all'anodo cellulare per dare la più alta densità di energia teorica possibile. La cella utilizzata ad alta capacità ha catodi di zolfo. Il risultato è una batteria che è facile da caricare e scaricare prontamente, non è infiammabile e mantiene un basso costo; questa triade di prestazioni, sicurezza e prezzo li renderà attraenti per il mercato, Hu afferma.
In una dichiarazione rilasciata dalla A. James Clark School of Engineering (un reparto specializzato all'interno dell'Università del Maryland) Prof John Goodenough, un pioniere nello sviluppo delle cellule agli ioni di litio e ora titolare di una cattedra in Ingegneria presso l'Università del Texas, che non è stato coinvolto con la ricerca, ha sottolineato due importanti novità nel lavoro del gruppo: in primo luogo, hanno cambiato la composizione della granata ad una policristallino denso solido con bordi di grano stretti; e in secondo luogo, il film di ossido di alluminio impedisce la formazione di sostanze note come whiskery dendriti sulla superficie dell'anodo durante il quale blocca gli ioni e il trasporto degli elettroni di carica. "" Questo [risultato] è di notevole interesse per coloro che lavorano per sostituire l'elettrolita liquido infiammabile della batteria ricaricabile agli ioni di litio con un elettrolita solido da cui un anodo di litio può essere placcato senza dendriti quando una cellula è in carica, "Goodenough disse.
La propensione per le batterie agli ioni di litio a prendere fuoco ha avuto importanti effetti negli ultimi anni, la messa a terra temporanea della flotta di Boeing 787 Dreamliner nel 2015 e potenzialmente rovinare la reputazione di Samsung per la fabbricazione di elettronica di consumo di alta qualità, dopo i problemi con i fuochi nei suoi tablet Galaxy Note.
Il problema è causato dall'elettrolita liquido utilizzato nella maggior parte delle cellule, che è infiammabile, soprattutto alle alte temperature. Un modo per aggirare il problema è quello di utilizzare una batteria a stato solido; ma i tentativi di sviluppare una cella al litio solido efficiente hanno incontrato difficoltà a causa della difficoltà nel raggiungere un flusso di elettroni tra gli elettrodi all'interno della cellula. I ricercatori dell'Università del Maryland Centro di ricerca energia e la A. James Clark School of Engineering ora credono di aver risolto questo problema.
Il gruppo, guidato da specialisti di energia Eric Wachsman e per materiali dallo scienziato Liangbing Hu, sta lavorando su batterie il cui elettrolita è costituito dal granata minerale, che sono cristalli di silicati associate generalmente con due o più ioni metallici.
Garnet è stato utilizzato come una pietra preziosa per millenni, e nei decenni più recenti, è anche ampiamente utilizzato come materiale per la realizzazione dei laser. E' un buon conduttore di ioni, ed è molto stabile elettrochimicamente, ma il suo problema è che l'impedenza (resistenza elettrica) all'interfaccia tra un elettrodo solido e il granato solido è molto alta, quindi gli elettroni non possono fluire e completare il circuito elettrochimico che rilascia la batteria l' energia immagazzinata dalla la batteria . Il gruppo di Maryland ha affrontato questo problema depositando una sottile pellicola di ossido di alluminio (Al203) sulla superficie dell'elettrodo.
In un articolo in Nature Materials, il gruppo spiega che il film ultrasottile riduce l'impedenza all'interfaccia elettrodo-granato dal 1710 ohm / cm2 ad un solo ohm / cm2, pur non interrompendo il flusso di ioni di litio. Inoltre, poiché il granato è così stabile, il gruppo potrebbe utilizzare elettrodi in litio metallico all'anodo cellulare per dare la più alta densità di energia teorica possibile. La cella utilizzata ad alta capacità ha catodi di zolfo. Il risultato è una batteria che è facile da caricare e scaricare prontamente, non è infiammabile e mantiene un basso costo; questa triade di prestazioni, sicurezza e prezzo li renderà attraenti per il mercato, Hu afferma.
In una dichiarazione rilasciata dalla A. James Clark School of Engineering (un reparto specializzato all'interno dell'Università del Maryland) Prof John Goodenough, un pioniere nello sviluppo delle cellule agli ioni di litio e ora titolare di una cattedra in Ingegneria presso l'Università del Texas, che non è stato coinvolto con la ricerca, ha sottolineato due importanti novità nel lavoro del gruppo: in primo luogo, hanno cambiato la composizione della granata ad una policristallino denso solido con bordi di grano stretti; e in secondo luogo, il film di ossido di alluminio impedisce la formazione di sostanze note come whiskery dendriti sulla superficie dell'anodo durante il quale blocca gli ioni e il trasporto degli elettroni di carica. "" Questo [risultato] è di notevole interesse per coloro che lavorano per sostituire l'elettrolita liquido infiammabile della batteria ricaricabile agli ioni di litio con un elettrolita solido da cui un anodo di litio può essere placcato senza dendriti quando una cellula è in carica, "Goodenough disse.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/thin-film-technology-to-eliminate-risk-of-lithium-battery-fire/?cmpid=tenews_2922992
Commenti
Posta un commento