De kartelige nikkeldeeltje ingebed in polyetheen (afb: Zhen Cheng)

Na is het natuurlijk niet zo dat een lithiumionbatterij om de haverklap in de fik vliegt of ontploft, maar het schijnt toch nog wel eens te gebeuren. Onderzoekers van de Amerikaanse Stanford-universiteit hebben een manier bedacht om die oververhitting tegen te gaan. Als die batterij te warm wordt, dan schakelt de Stanford-vinding de batterij uit. Zodra die weer is afgekoeld kan hij/zij weer stroom leveren. De truc zit ‘m in een kunststoflaag met nikkeldeeltjes.
De veel gebruikte lithiumionbatterijen en -accu’s hebben naast veel goede eigenschappen, minstens, een zwakte: als er ergens kortsluiting ontstaat of de batterijen worden van buiten te sterk verhit dan kan het mis gaan. Dan valt in een paar minuten de meestal uit een mengsel van nikkel, mangaan en kobalt bestaande kathode uit elkaar, waarbij veel energie vrijkomt, waardoor de batterij dan in een mum tot 1000°C wordt verhit en explodeert. Om dat te verhinderen zijn commerciële lithiumbatterijen vaak met sensoren of seperatoren uitgerust om die kettingreactie te voorkomen en de batterij ‘plat te leggen’. “Maar dan functioneert de batterij niet meer”, zegt onderzoeker Zheng Chen van Stanford. Bovendien veroorzaken die extra scheiders en lagen lagere prestaties.
Om dat euvel te overkomen zochten Chen c.s. naar een kunststof die diende als een soort warmteschakelaar. Die vonden ze in polyetheen waarin nikkeldeeltjes werden ingebracht die met grafeen (een vorm van koolstof) waren bedekt. Dit composietmateriaal bouwden ze in de kathode in over de laag die normaal de elektronen opneemt. Werkt dat lithiumionbatterij normaal, dan liggen de nikkeldeeltjes tegen elkaar aan en geven de elektronenstroom door aan de ‘opvanglaag’. Volgens de onderzoekers heeft dat composietmateriaal geen nadelige invloed op de prestatie van de batterij. Ook zou het aanbrengen van de composietlaag productietechnisch gesproken geen groot probleem zijn.
Als de batterij te warm wordt dan zet de composietlaag uit en gaat de doorvoer aan elektronen omlaag. Bij de grenstemperatuur van 70°C daalt die geleidbaarheid binnen een seconde met een factor zes tot acht en wordt de batterij, bij wijze van spreken, op een laag pitje gezet of uitgeschakeld. Dat laatste gebeurt als de nikkeldeeltjes geen contact meer met elkaar maken en dus de elektronenstroom zullen tegenhouden. Dan is de composietlaag een elektrische isolator geworden rond de kathode. Volgens de onderzoekers reageert hun systeem vele malen beter dan de huidige voorzorgsmaatregelen tegen oververhitting van de batterij. Het systeem is omkeerbaar, want als de batterij weer afkoelt, komen de nikkeldeeltjes weer met elkaar in contact en kan de batterij weer ‘aan de slag’. Dat alles zou niet nadelig zijn voor de prestaties van de batterij. De onderzoekers moeten nog wel zien uit te vinden of de ‘warmteschakelaar’ ook betrouwbaar werkt bij lithiumion-accu’s in E-auto’s.

Bron: bdw