Lithium-Ionen-Batterien haben die moderne Welt geprägt. Diese Stromtaschen sind das Herzstück der meisten wiederaufladbaren Elektronikgeräte, von Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu Vapes und Elektroautos. Sie können zwar hervorragend geladen werden und haben eine hohe Energiedichte, aber Lithium-Ionen-Batterien sind nicht unproblematisch. Da sie auf giftige, brennbare Materialien angewiesen sind, kann der kleinste Defekt zur Explosion von Geräten führen.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Physikern des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory glaubte, dass eine sicherere Batterie möglich sei, und entwickelte in den letzten fünf Jahren eine Lithium-Ionen-Batterie, die scheinbar immun gegen Ausfälle ist. Die robuste Batterie, die sie 2017 erstmals in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Maryland vorstellten, kann ohne Unterbrechung der Stromversorgung geschnitten, beschossen, gebogen und eingeweicht werden. Das Johns Hopkins-Team hat es Ende letzten Jahres weiterentwickelt, um es feuerfest zu machen und die Spannungen auf ein Niveau zu bringen, das mit einem kommerziellen Produkt vergleichbar ist. Samsung, iss dein Herz aus.
Das Geheimnis zur Herstellung einer unzerstörbaren Batterie liegt im Elektrolyten, dem chemischen Gulasch, das die positiven und negativen Enden einer Batterie trennt, sagt Konstantinos Gerasopoulos, leitender Wissenschaftler bei APL, der die Forschung leitet. Wenn Sie eine Lithium-Ionen-Batterie verwenden, wandern geladene Lithiumpartikel durch eine Barriere im Elektrolyten von der Anode (dem negativen Ende) zur Kathode (dem positiven Ende), wo sie eine chemische Reaktion eingehen, die Energie erzeugt.
Die meisten Lithium-Ionen-Elektrolyte sind eine Mischung aus brennbaren Lithiumsalzen und giftigen Flüssigkeiten, was bedeutet, dass „in der heutigen Lithium-Ionen-Chemie ein Rezept für eine Katastrophe vorliegt“, sagt Jeff Maranchi, Programmmanager für Materialwissenschaften bei APL. Wenn die durchlässige Barriere, die die Kathode von der Anode trennt, zerbricht, entsteht ein Kurzschluss - und eine ganze Menge Wärme. Wenn all diese Hitze auf ein leicht entflammbares Material wie Lithium-Ionen-Elektrolyt neben der sauerstoffreichen Kathode in der Batterie trifft, haben Sie ein brennendes elektronisches Gerät in der Hand.
Wässrige Batterien vermeiden all diese Probleme mit Elektrolyten, die auf Wasser basieren und daher sowohl nicht brennbar als auch ungiftig sind. Sie gibt es schon seit 25 Jahren, aber sie waren zu schwach, um nützlich zu sein. Das APL-Team stellte fest, dass durch Erhöhen der Konzentration von Lithiumsalzen und Mischen des Elektrolyten mit einem Polymer - einem Material, das einem sehr weichen Kunststoff ähnelt - das elektrische Potential von etwa 1, 2 Volt auf 4 Volt erhöht werden könnte, was mit kommerziell vergleichbar ist Lithium-Ionen-Batterien.
Als Gerasopoulos und seine Kollegen eine im Handel erhältliche Anode und Kathode an diesen plastischen Elektrolyten anbrachten, erhielten sie eine Lithium-Ionen-Batterie, wie Sie sie noch nie gesehen haben. Es ist klar und flexibel wie eine Kontaktlinse, ungiftig und nicht brennbar und kann ohne Etui im Freien hergestellt und betrieben werden. Darüber hinaus kann es so ziemlich jeder Art von Missbrauch standhalten.
Während der Tests, die Sie hier sehen können, tauchte das APL-Team das Gerät in Salzwasser, schnitt es mit einer Schere ab, simulierte einen ballistischen Aufprall mit einer Luftkanone und zündete es an. Bei jedem Test pumpte die Batterie weiter Strom ab. Nach einem Versuch durch Feuer wurde der verkohlte Teil abgeschnitten und er arbeitete 100 Stunden lang normal weiter.
Die neue Batterie auf Wasserbasis ist nicht nur eine Neugierde des Labors, sagt Maranchi. Das APL-Team befindet sich bereits in Gesprächen mit unbekannten Herstellern, die die neue Chemie und den neuen Formfaktor ohne große Schwierigkeiten in bestehende Lithium-Ionen-Produktionsanlagen integrieren könnten. Es könnte innerhalb von zwei Jahren auf den Markt kommen und dorthin gehen, wo noch keine Batterie war.
Da es flexibel ist, kann es in tragbare Elektronik integriert werden und schließlich auch direkt in die Kleidungsfaser integriert werden. Seine Robustheit lässt auch neue Anwendungen in einer Vielzahl von militärischen und wissenschaftlichen Anwendungen zu, wie beispielsweise autonomen Unterwasserfahrzeugen, Drohnen und Satelliten.
