Die Lebensdauer einer Batterie durch Hitze verlängern | 2020

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Anonim

Eine Batteriezelle besteht aus einer positiven und einer negativen Elektrode, die als Kathode und Anode bezeichnet werden. Während die Batterie elektrischen Strom erzeugt, fließen Elektronen von der Anode durch einen Stromkreis außerhalb der Batterie und zurück in die Kathode. Nachdem die Elektronen, die den Strom erzeugen, verloren gegangen sind, werden einige der Atome in der Anode - ein elektrisch leitfähiges Metall wie Lithium - zu Ionen, die dann zur Kathode wandern und sich durch ein leitfähiges flüssiges Medium namens Elektrolyt bewegen.

Das Aufladen der Batterie kehrt den Vorgang um, und die Ionen wandern zurück und haften an der Anode. Aber wenn doch, binden sich die Ionen nicht gleichmäßig an. Stattdessen bilden sie mikroskopisch kleine Unebenheiten, die nach mehreren Wiederaufladezyklen zu langen Ästen werden. Wenn diese Dendriten die Kathode erreichen und kontaktieren, bilden sie einen Kurzschluss. Anstelle des externen Stromkreises fließt nun elektrischer Strom über die Dendriten, wodurch die Batterie unbrauchbar und leer wird.

Der Strom erwärmt auch die Dendriten, und da der Elektrolyt leicht entzündlich ist, können sich die Dendriten entzünden. Selbst wenn die Dendriten die Batterie nicht kurzschließen, können sie sich vollständig von der Anode lösen und im Elektrolyten schweben. Auf diese Weise verliert die Anode Material und die Batterie kann nicht so viel Energie speichern.

"Dendriten sind gefährlich und verringern die Kapazität von wiederaufladbaren Batterien", sagte Asghar Aryanfar, ein Wissenschaftler von Caltech, der die neue Studie leitete, die diese Woche auf dem Cover von veröffentlicht wurde Das Journal of Chemical Physics , von AIP Publishing. Obwohl sich die Forscher mit Lithiumbatterien befassten, die zu den effizientesten gehören, können ihre Ergebnisse allgemein angewendet werden. "Das Dendritenproblem betrifft alle wiederaufladbaren Batterien", sagte er.

Die Forscher züchteten Lithiumdendriten auf einer Testbatterie und erwärmten sie über ein paar Tage. Sie fanden heraus, dass Temperaturen von bis zu 55 Grad Celsius die Dendriten um bis zu 36 Prozent verkürzten. Um herauszufinden, was genau zu dieser Schrumpfung geführt hat, simulierten die Forscher mithilfe eines Computers den Wärmeeinfluss auf die einzelnen Lithiumatome eines Dendriten, der mit der einfachen, idealisierten Geometrie einer Pyramide modelliert wurde.

Die Simulationen zeigten, dass erhöhte Temperaturen die Atome dazu veranlassten, sich auf zwei Arten zu bewegen. Das Atom an der Spitze der Pyramide kann zu niedrigeren Niveaus fallen. Oder ein Atom auf einer niedrigeren Ebene kann sich bewegen und eine freie Stelle hinterlassen, die dann von einem anderen Atom gefüllt wird. Die Atome bewegen sich und erzeugen genug Bewegung, um den Dendriten zu stürzen.

Durch die Quantifizierung, wie viel Energie benötigt wird, um die Struktur des Dendriten zu verändern, können die Forscher die strukturellen Eigenschaften des Dendriten besser verstehen, so Aryanfar. Und während viele Faktoren die Lebensdauer einer Batterie bei hohen Temperaturen beeinflussen - wie die Tendenz zur Selbstentladung oder das Auftreten anderer chemischer Reaktionen auf der Seite - zeigt diese neue Arbeit, dass Sie zur Wiederbelebung einer Batterie möglicherweise nur einige benötigen zusätzliche Wärme.