Os nanoengenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um recurso de segurança que impede as baterias de metal de lítio de aquecer rapidamente e pegar fogo em caso de curto-circuito interno.

A equipe fez um ajuste inteligente na parte da bateria chamada de separador, que serve como uma barreira entre o ânodo e o cátodo, de modo que diminui o fluxo de energia (e, portanto, de calor) que se acumula dentro da bateria quando ela entra em curto-circuito.

Os pesquisadores, liderado pelo professor de nanoengenharia da UC San Diego, Ping Liu, e seu Ph.D. estudante Matthew Gonzalez, detalhar seu trabalho em um artigo publicado em Materiais avançados .

"Não estamos tentando impedir que a falha da bateria aconteça. Estamos tornando-o muito mais seguro para que, quando ele falhar, a bateria não pega fogo catastroficamente nem explode, "disse Gonzalez, quem é o primeiro autor do artigo.

As baterias de metal de lítio falham devido ao crescimento de estruturas semelhantes a agulhas chamadas dendritos no ânodo após carregamentos repetidos. Hora extra, os dendritos crescem o suficiente para perfurar o separador e criar uma ponte entre o ânodo e o cátodo, causando um curto-circuito interno. Quando isso acontecer, o fluxo de elétrons entre os dois eletrodos fica fora de controle, fazendo com que a bateria superaqueça instantaneamente e pare de funcionar.

O separador que a equipe da UC San Diego desenvolveu essencialmente suaviza esse golpe. Um lado é coberto por um fino teia parcialmente condutora de nanotubos de carbono que intercepta qualquer dendrito que se formar. Quando um dendrito perfura o separador e atinge esta teia, os elétrons agora têm um caminho através do qual podem drenar lentamente em vez de correr direto para o cátodo de uma só vez.

Gonzalez comparou o novo separador de bateria a um vertedouro em uma barragem.

“Quando uma barragem começa a ruir, um vertedouro é aberto para permitir que parte da água escorra de forma controlada para que, quando a barragem romper e derramar, não sobrou muita água para causar uma enchente, "disse ele." Essa é a ideia com o nosso separador. Estamos drenando muito a carga, muito mais lento e evita uma 'inundação' de elétrons para o cátodo. Quando um dendrito é interceptado pela camada condutora do separador, a bateria pode começar a descarregar automaticamente de modo que, quando a bateria entrar em curto, não há energia suficiente para ser perigoso. "

Outros esforços de pesquisa de bateria se concentram na construção de separadores de materiais que são fortes o suficiente para bloquear a penetração dos dendritos. Mas um problema com essa abordagem é que ela apenas prolonga o inevitável, Gonzalez disse. Esses separadores ainda precisam ter poros que permitem que os íons fluam para que a bateria funcione. Como consequência, quando os dendritos finalmente conseguem passar, o curto-circuito será ainda pior.

Em vez de bloquear os dendritos, a equipe da UC San Diego procurou mitigar seus efeitos.

Em testes, As baterias de metal de lítio equipadas com o novo separador mostraram sinais de falha gradual ao longo de 20 a 30 ciclos. Enquanto isso, baterias com um separador normal (e ligeiramente mais espesso) apresentaram falha abrupta em um único ciclo.

"Em um cenário de caso de uso real, você não teria nenhum aviso prévio de que a bateria vai falhar. Pode demorar um segundo, então pegue fogo ou dê um curto-circuito no próximo. É imprevisível, "Gonzalez disse." Mas com o nosso separador, você receberá um aviso prévio de que a bateria está piorando um pouco, um pouco pior, um pouco pior, cada vez que você carrega. "

Embora este estudo tenha focado em baterias de metal de lítio, os pesquisadores dizem que o separador também pode funcionar em íons de lítio e outros produtos químicos de bateria. A equipe trabalhará na otimização do separador para uso comercial. Uma patente provisória foi depositada pela UC San Diego.