Νανοδιαμάντια κάνουν Ασφαλέστερες και Αποδοτικότερες τις Μπαταρίες Λιθίου

Εσωτερική δομή συνθετικών νανοδιαμαντιών

Με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων νανοδιαμαντιών στους ηλεκτρολύτες των μπαταριών ιόντων λιθίου, μειώνεται ο κίνδυνος βραχυκυκλώματος της μπαταρίας. Τα νανοδιαμάντια εμποδίζουν τα ιόντα λιθίου να συσσωρεύονται και να σχηματίζουν δενδρίτες, βελονοειδείς δομές που μπορούν να βλάψουν την μπαταρία.

Το μεταλλικό λίθιο θεωρείται το μελλοντικό υλικό για τις ανόδους στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας λόγω του πολύ καλού συνδυασμού αρνητικού ηλεκτροχημικού δυναμικού και υψηλής θεωρητικής ικανότητας. Ωστόσο, η ανεξέλεγκτη εναπόθεση λιθίου κατά τη διάρκεια της επιμετάλλωσης / απογύμνωσης λιθίου έχει ως αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση ηλεκτρικού ρεύματος και σοβαρούς κινδύνους για την ασφάλεια.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον Yury Gogotsi του Πανεπιστημίου Drexel και το Qiang Zhang του Πανεπιστημίου Tsinghua αναφέρει ότι τα χαμηλού κόστους σωματίδια νανοδιαμαντιού στο διάλυμα ηλεκτρολύτη καθοδηγούν τα ιόντα λίθιου κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης έτσι ώστε να σχηματίζουν λεία φίλμ πάνω στο λίθιο ή στα άλλα μεταλλικά ηλεκτρόδια ελεύθερα από δενδρίτες (ακανθώδη εξογκώματα - σαν δέντρα).
Τα νανοδιαμάντια είναι ένα φτηνό υλικό. Το 1963, σοβιετικοί επιστήμονες στο Πανεπιστημιακό Ινστιτούτο Τεχνικής Φυσικής διαπίστωσαν ότι σε πυρηνικές εκρήξεις που χρησιμοποιούσαν εκρηκτικές ύλες με βάση τον άνθρακα δημιουργήθηκαν νανοδιαμάντια. Οπότε παράγονται με μεθόδους που βασίζονται σε υψηλές πιέσεις δηλαδή εκρήξεις.

Καθώς φορτίζονται οι μπαταρίες λιθίου, τα ιόντα λιθίου στο διάλυμα ηλεκτρολύτη μεταναστεύουν από την κάθοδο μέσω ενός λεπτού πορώδους διαχωριστή από πολυμερές της τάξεων των λίγων μικρομέτρων και εναποτίθενται στην άνοδο. Η άνοδος στις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι συνήθως μια μορφή γραφίτη. Τα νανοδιαμαντια που χρησιμοποιούνται μειώνουν την πιθανότητα σχηματισμού των μικροσκοπικών δομών δενδριτών-λιθίου που θα προκαλούσαν καταστροφικό βραχυκύκλωμα της μπαταρίας σαν αποτέλεσμα της διάτρησης του μονωτικού διαχωριστή και επαφή με την κάθοδο. Συνεπώς ασφαλέστερες μπαταρίες.

Επίσης αν αντί για τη χρήση γραφίτη, η άνοδος ήταν καθαρό μέταλλο λιθίου, η χωρητικότητα αποθήκευσης της μπαταρίας θα μπορούσε να είναι σχεδόν 10 φορές μεγαλύτερη. Αλλά οι μεταλλικές ανόδοι του λιθίου επιδεινώνουν το πρόβλημα των δενδριτών.

Σχηματική απεικόνιση της συν-εναπόθεσης ιόντων Li επί του νανοδιαμαντιού, της ανάπτυξης της κολλητικής μεμβράνης Li και της απομάκρυνσης των καταλοίπων Li. Η λέξη '' ND '' στο σχήμα είναι η συντομογραφία του '' nanodiamond ''

Υπολογισμοί βασισμένοι σε αρχικές έννοιες  δείχνουν ότι το λίθιο προτιμά να προσροφάται πάνω σε επιφάνειες με νανοδιαμάντια οδηγώντας σε ομοιόμορφη εναπόθεση λιθίου. Η ομοιόμορφη μορφολογία εναπόθεσης λιθίου ενισχύει την ηλεκτροχημική απόδοση του κύκλου φόρτισης αποφόρτισης. Η συν-απόθεση nanodiamond μπορεί να μεταβάλει σημαντικά τη συμπεριφορά εναπόθεσης (δηλαδή επιμετάλλωσης) λιθίου, προσφέροντας μια ελπιδοφόρα λύση για την καταστολή της ανάπτυξης δενδριτών λιθίου σε μπαταρίες με βάση το μεταλλικό λίθιο. Ετσι θα οδηγηθούμε σε αποδοτικότερες μπαταρίες.

Πηγές:

Από το blog: Compound Interest υπό: Andy Brunning στις: 10 Σεπτεμβρίου 2017.

Από το Άρθρο στο περιοδικό: c&en ACS Chemical & Engineering News με τίτλο: Nanodiamonds reduce short-circuit risk in rechargeable lithium batteries υπό: Mitch Jacoby στις: 04 Σεπτεμβρίου 2017.

Επιστημονικό Άρθρο στο περιοδικό: Environmental Science: Nano με τίτλο: Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites υπό: Xin-Bing Cheng, Meng-Qiang Zhao, Chi Chen, Amanda Pentecost, Kathleen Maleski, Tyler Mathis, Xue-Qiang Zhang, Qiang Zhang, Jianjun Jiang & Yury Gogotsi στις: 25 Αυγούστου 2017.

Εικόνες: 
Εσωτερική δομή συνθετικών νανοδιαμαντιών Credit:By Hiroaki Ohfuji et al. - http://www.nature.com/articles/srep14702, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45230088

Σχηματική απεικόνιση της συν-εναπόθεσης ιόντων Li επί του νανοδιαμαντιού: Credit: Nat. Commun. From: Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites.

Η σύγχρονη έρευνα στη ΧΗΜΕΊΑ