Chinesische Doktorandin ist bereit, Brand- und Explosionsrisiken von Lithiumbatterien zu lösen

Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen können bei einem Kurzschluss Feuer fangen oder explodieren, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Vor fünf Jahren, als Masterstudent an der Wuhan University of Technology, begann Dr. Lun Li, nach Lösungen für dieses Problem zu suchen. Jetzt, als Postdoktorandin an derselben Institution, hat sie eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe von Nature Chemical Engineering veröffentlicht.

Unter der Leitung von Professor He Daping von der School of Physics and Mechanics der Technischen Universität Wuhan wurde dieses Forschungspatent erfolgreich in die Industrialisierung umgesetzt. Ein Unternehmen hat 30 Millionen Yen investiert, um die Produktion zu steigern. Das Forschungsteam hat Hainan Zhangyu Technology Co., Ltd. gegründet, um die Technologie weiter zu validieren, und plant, sie bald zu implementieren, wenn sie sich als tragfähig erweist.

Ein Durchbruch aus einem unerwarteten Experiment

Lithium-Ionen-Batterien sind anfällig für Brände und Explosionen, da die von ihnen erzeugte Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann, was zu einer Ansammlung führt, die eine Reihe von exothermen Reaktionen und schließlich ein thermisches Durchgehen auslöst. Die Kontrolle der internen Wärmeerzeugung und die Verbesserung der Wärmeübertragung sind entscheidend, um dieses Problem zu vermeiden.

Im Jahr 2020 zerlegte Dr. Li während eines Experiments eine Batterie, die Feuer gefangen hatte und explodierte, und stellte fest, dass der Metallstromabnehmer an der positiven Elektrode fast vollständig verbrannt war. Diese Kollektoren bestehen in der Regel aus Aluminium oder Kupfer.

"Dies deutet auf einen möglichen Zusammenhang zwischen den Metallstromabnehmern und dem thermischen Durchgehen hin", teilte Dr. Li den Professoren He Daping und Mai Liqiang mit. Gemeinsam überlegten sie, ob ein schwer entflammbares Material die metallischen Stromabnehmer ersetzen könnte. Ein solches Material müsste eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine ausgezeichnete Flammbeständigkeit und eine ausreichende Dichte aufweisen, um eine Vergrößerung der Batterie zu vermeiden.

Ihre Aufmerksamkeit richtete sich auf Graphen, ein einzigartiges zweidimensionales Material. Dr. Li testete die Flammbeständigkeit, indem er sie eine halbe Stunde lang über eine Alkohollampe hielt – bemerkenswerterweise blieb sie intakt. Dieses unerwartete Ergebnis verblüffte ihre Laborkollegen.

"Wir haben vorgeschlagen, Graphen-Stromabnehmer mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, um herkömmliche Metallkollektoren zu ersetzen und die Batteriesicherheit erheblich zu erhöhen", sagte Dr. Li. Ihre Arbeit wurde auch von Associate Professor Yang Jinlong von der Shenzhen University betreut.

Doppelt schmieden von Graphen-Stromabnehmern durch hohe Temperaturen

Die Verwendung von Graphen als Stromabnehmer erfordert jedoch das Erreichen einer ausreichenden mechanischen Festigkeit und Dünnheit – mindestens 10-20 Mikrometer – bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Leitfähigkeit.

Am Morgen des 16. besuchte ein Reporter der Changjiang Daily das Labor für Graphenfilmsynthese an der Technischen Universität Wuhan. Dr. Li präsentierte eine Rolle Metallfolie und erklärte: "Dies ist ein Aluminium-Stromabnehmer, der üblicherweise in positiven Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Kupfer wird auch als Stromabnehmer aus Metall verwendet." Dann zeigte sie eine Rolle aus nichtmetallischem Material und sagte: "Das ist unser Graphen-Stromabnehmer, der bei Wuhan Hanci Technology Co., Ltd. in Serie hergestellt wird."

Der Reporter beobachtete, dass der Graphen-Stromabnehmer so dünn wie die Flügel einer Zikade war. Dr. Li bog es wiederholt, ohne dass es zu einer Verformung kam. "Es ist nur 10 Mikrometer dick und unter dem Mikroskop erscheinen keine Risse, egal wie oft es gebogen wird. Trotz seines filigranen Aussehens hat es zwei Runden des Hochtemperaturschmiedens durchlaufen, ähnlich wie das Schmieden des mythischen Sun Wukong in Laozis Ofen."

Dr. Li wies auf zwei Hochtemperatur-Graphitisierungsöfen im Labor hin und erklärte, dass das Graphen-Rohmaterial zwei Hochtemperaturbehandlungen unterzogen wird, um das endgültige Graphen-Stromabnehmermaterial zu schmieden.

Eine Investition von 30 Millionen Yen für die Produktionsvalidierung

Nachdem das Graphen-Stromabnehmermaterial entwickelt war, wurde es zur strukturellen Charakterisierung und Sicherheitsprüfung an das Nanotechnologielabor der Wuhan University of Technology geschickt. Das Team stellte dann Softpack-Batterien aus dem Material her und führte eine Reihe von elektrochemischen Leistungstests durch.

Der Reporter wies darauf hin, dass das Nanotechnologie-Labor nicht nur Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch Natrium-Ionen-Batterien, Kalium-Ionen-Batterien und andere Arten von Batterien beherbergt, die elektrochemisch getestet werden.

Dr. Li teilte mit, dass ihre Lithium-Ionen-Batterien auch am Forschungsinstitut für Hochtemperatur- und Hochdruckphysik an der Technischen Universität Wuhan getestet wurden. Sie diskutiert häufig experimentelle Daten mit Associate Professor Yang Jinlong von der Shenzhen University, analysiert die Ergebnisse und plant die nächsten Schritte in ihrer Forschung.

"In den letzten Jahren bin ich oft zwischen dem Labor für Graphenfilmsynthese, dem Nanotechnologielabor und dem Forschungsinstitut für Hochtemperatur- und Hochdruckphysik gependelt. Aber ich fühle mich nicht müde – solange ich Ergebnisse erzielen kann, fühle ich mich erfüllt", sagte Dr. Li, der diese Forschung seit fünf Jahren betreibt. Auch nach dem Ende ihrer Postdoc-Zeit im nächsten Jahr plant sie, diese Forschung weiter zu vertiefen.

Dr. Li enthüllte, dass ein Unternehmen bereits 30 Millionen Yen in die Steigerung der Produktion investiert hat, und wenn die Validierung erfolgreich ist, wird die Technologie bald implementiert werden.