يستخدم فريق UIC الجرافين لمنع حرائق بطارية Li-ion

2019-06-05 14:13:54

إن ميل بطاريات الليثيوم إلى اشتعال النيران في بعض الأحيان (حدث يعرف باسم "الهروب الحراري") موثق جيدًا ، وقد يحدث عندما ترتفع درجة حرارة البطاريات أو تدور بسرعة. أفاد باحثون من جامعة إلينوي في كلية شيكاغو للهندسة أن الجرافين قد يساعد في هذه المشكلة المقلقة.

UIC team uses graphene to prevent Li-ion battery fires image

جسيمات أكسيد الكوبالت الليثيوم المغلفة في الجرافين. الصورة بواسطة UIC

يمكن لظروف مثل التدوير السريع أو الشحن والتفريغ ، وارتفاع درجات الحرارة في البطارية أن تتسبب في تحلل وإفراز الأكسجين في الكاثود الموجود داخل البطارية - والذي في حالة معظم بطاريات الليثيوم هو أكسيد يحتوي على الليثيوم ، وعادة ما يكون أكسيد الكوبالت الليثيوم. إذا كان الأكسجين يتحد مع منتجات أخرى قابلة للاشتعال تُعطى من خلال تحلل المنحل بالكهرباء تحت حرارة عالية بما فيه الكفاية ، يمكن أن يحدث احتراق تلقائي.

قال رضا شاهبازيان يسار ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية والصناعية: "اعتقدنا أنه إذا كانت هناك طريقة لمنع الأكسجين من مغادرة الكاثود والاختلاط مع المنتجات الأخرى القابلة للاشتعال في البطارية ، فيمكننا تقليل فرص نشوب حريق". الهندسة في كلية الهندسة UIC والمؤلف المقابل للورقة.

أفاد الفريق أن الجرافين قد يوفر حلاً مثاليًا لهذه المشكلة. استخدم شهبازيان يسار وزملاؤه الجرافين سابقًا للمساعدة في تعديل تراكم الليثيوم على الأقطاب الكهربائية في بطاريات الليثيوم المعدنية.

عرف شهبازيان يسار وزملاؤه أن صفائح الجرافين غير منفذة لذرات الأكسجين. يعتقد شهبازيان يسار وسوروش شريفي-أصل ، وهو طالب دراسات عليا في الهندسة الميكانيكية والصناعية في UIC والمؤلف الرئيسي للورقة ، أنه إذا قاما بلف جزيئات صغيرة جدًا من كاثود أكسيد الليثيوم الكوبالت لبطارية الليثيوم في الجرافين ، فقد يمنع الأكسجين من الهروب.

أولاً ، قام الباحثون بتغيير الجرافين كيميائيًا لجعله موصلًا كهربائيًا. بعد ذلك ، قاموا بلف الجسيمات الدقيقة لقطب كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم في الجرافين الموصل.

عندما نظروا إلى جسيمات أكسيد الكوبالت الليثيوم المغلفة بالجرافين باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني ، رأوا أن إطلاق الأكسجين تحت حرارة عالية قد انخفض بشكل كبير مقارنة بالجسيمات غير المغلفة.

بعد ذلك ، قاموا بربط الجسيمات الملفوفة مع مادة ملزمة لتشكيل كاثود قابل للاستخدام ، ودمجها في بطارية معدن الليثيوم. عندما قاموا بقياس الأكسجين الذي تم إطلاقه أثناء دورة البطارية ، لم يروا تقريبًا أي أكسجين يهرب من الكاثودات حتى في الفولتية العالية جدًا. استمرت بطارية الليثيوم المعدنية في الأداء الجيد حتى بعد 200 دورة.

قال شريفي-أصل: "فقدت بطارية الكاثود الملفوفة حوالي 14٪ فقط من سعتها بعد التدوير السريع مقارنة ببطارية معدن الليثيوم التقليدية حيث انخفض الأداء بحوالي 45٪ في ظل نفس الظروف".

قال شاهبازيان يسار: "الجرافين هو المادة المثالية لمنع إطلاق الأكسجين في المنحل بالكهرباء". "إنها غير منفذة للأكسجين ، موصلة للكهرباء ، ومرنة ، وقوية بما يكفي لتحمل الظروف داخل البطارية. يبلغ سمكها بضعة نانومتر فقط لذا لن تكون هناك كتلة إضافية تضاف إلى البطارية. يظهر بحثنا أن استخدامه في الكاثود يمكن أن يقلل بشكل موثوق من إطلاق الأكسجين ويمكن أن يكون أحد الطرق التي يمكن بها تقليل خطر الحريق في هذه البطاريات - التي تعمل على تشغيل كل شيء من هواتفنا إلى سياراتنا - بشكل كبير. "