يمكن أن تقلل البطاريات من خطر حرائق البطاريات القاتلة والمكلفة

في أ دراسة منشورة حديثا, ، نحن نصف تصميمنا لبطارية قابلة لإعادة الشحن ذاتية الإطفاء.فهو يحل محل الإلكتروليت الأكثر استخدامًا، وهو شديد الاشتعال - وهو وسط يتكون من ملح الليثيوم ومذيب عضوي - بمواد موجودة في طفاية حريق تجارية.

يسمح الإلكتروليت لأيونات الليثيوم التي تحمل شحنة كهربائية بالتحرك عبر فاصل بين الأطراف الموجبة والسالبة لبطارية الليثيوم أيون.من خلال تعديل المبردات التجارية ذات الأسعار المعقولة لتعمل كإلكتروليتات للبطارية، تمكنا من إنتاج بطارية تطفئ نيرانها بنفسها.

لقد عمل الإلكتروليت الخاص بنا بشكل جيد عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، من حوالي 100 إلى 175 درجة فهرنهايت (ناقص 75 إلى 80 درجة مئوية).البطاريات التي أنتجناها في المختبر بهذا الإلكتروليت تنقل الحرارة بعيدًا عن البطارية بشكل جيد للغاية، وتطفئ الحرائق الداخلية بفعالية.

لقد أخضعنا هذه البطاريات لاختبار اختراق المسامير، وهي طريقة شائعة لتقييم سلامة بطارية أيون الليثيوم.القيادة أ مسمار من الفولاذ المقاوم للصدأ من خلال بطارية مشحونة يحاكي ماس كهربائي داخلي.إذا اشتعلت النيران في البطارية، فإنها تفشل في الاختبار.عندما أدخلنا مسمارًا في بطارياتنا المشحونة، صمدت أمام التأثير دون أن تشتعل فيها النيران.

لماذا يهم

بطبيعتها، تتغير درجة حرارة البطارية أثناء شحنها وتفريغها، وذلك بسبب المقاومة الداخلية - المعارضة داخل البطارية لتدفق أيونات الليثيوم. ارتفاع درجات الحرارة في الهواء الطلق أو أن درجات الحرارة غير المتساوية داخل حزمة البطارية تهدد بشكل خطير سلامة البطاريات ومتانتها.

تحتوي البطاريات كثيفة الطاقة، مثل إصدارات أيون الليثيوم المستخدمة على نطاق واسع في الإلكترونيات والمركبات الكهربائية، على تركيبة إلكتروليت تهيمن عليها الجزيئات العضوية شديدة الاشتعال.وهذا يؤدي إلى تفاقم خطر هارب حراري - عملية لا يمكن السيطرة عليها حيث تؤدي الحرارة الزائدة داخل البطارية إلى تسريع التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها التي تطلق المزيد من الحرارة، مما يؤدي إلى المزيد من التفاعلات.يمكن أن ترتفع درجات الحرارة داخل البطارية مئات الدرجات في الثانية الواحدة، التسبب في نشوب حريق أو انفجار.

تنشأ مخاوف أخرى تتعلق بالسلامة عندما يتم شحن بطاريات الليثيوم أيون بسرعة كبيرة.يمكن أن يسبب هذا تفاعلات كيميائية تنتج إبر ليثيوم حادة جدًا تسمى التشعبات على أنود البطارية - القطب ذو الشحنة السالبة.في نهاية المطاف، تخترق الإبر الفاصل وتصل إلى القطب الآخر، مما يؤدي إلى قصور دائرة البطارية داخليًا ويؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة.

كما يدرس العلماء توليد الطاقة, التخزين والتحويل, ، لدينا اهتمام قوي بتطوير بطاريات كثيفة الطاقة وآمنة.إن استبدال الإلكتروليتات القابلة للاشتعال بإلكتروليت مثبط للهب لديه القدرة على جعل بطاريات الليثيوم أيون أكثر أمانًا، ويمكن أن يوفر الوقت لإجراء تحسينات طويلة المدى تقلل من المخاطر الكامنة في ارتفاع درجة الحرارة والانفلات الحراري.

كيف قمنا بعملنا

أردنا تطوير إلكتروليت غير قابل للاشتعال، وينقل الحرارة بسهولة بعيدًا عن حزمة البطارية، ويمكن أن يعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة، ويكون متينًا للغاية، وسيكون متوافقًا مع أي كيمياء للبطارية.ومع ذلك، فإن معظم المذيبات العضوية غير القابلة للاشتعال المعروفة تحتوي على الفلور والفوسفور، وهي غالية الثمن ومن الممكن أن تحتوي عليها آثار ضارة على البيئة.

وبدلاً من ذلك، ركزنا على تكييف المبردات التجارية ذات الأسعار المعقولة والتي كانت تُستخدم بالفعل على نطاق واسع في طفايات الحريق، والاختبارات الإلكترونية، وتطبيقات التنظيف، حتى تتمكن من العمل كإلكتروليتات للبطارية.

لقد ركزنا على سائل تجاري ناضج وآمن وبأسعار معقولة يسمى نوفيك 7300, ، وهو ذو سمية منخفضة، وغير قابل للاشتعال ولا يساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري.ومن خلال الجمع بين هذا السائل والعديد من المواد الكيميائية الأخرى التي أضافت المتانة، تمكنا من إنتاج إلكتروليت يتمتع بالميزات التي سعينا إليها ومن شأنه تمكين البطارية من الشحن والتفريغ على مدار عام كامل دون فقدان سعة كبيرة.

ما لا يزال غير معروف

نظرًا لأن الليثيوم - وهو معدن قلوي - نادر في قشرة الأرض، فمن المهم التحقق من مدى جودة البطاريات التي تستخدم أيونات المعادن القلوية الأخرى الأكثر وفرة، مثل البوتاسيوم أو الصوديوم، مقارنة بها.لهذا السبب، ركزت دراستنا في الغالب على بطاريات أيون البوتاسيوم ذاتية الإطفاء، على الرغم من أنها أظهرت أيضًا أن المنحل بالكهرباء الخاص بنا يعمل بشكل جيد لصنع بطاريات ليثيوم أيون ذاتية الإطفاء.

يبقى أن نرى ما إذا كان المنحل بالكهرباء الخاص بنا يمكن أن يعمل بشكل جيد على قدم المساواة مع أنواع أخرى من البطاريات قيد التطوير، مثل أيون الصوديوم، أيون الألومنيوم و أيون الزنك البطاريات.هدفنا هو تطوير بطاريات عملية وصديقة للبيئة ومستدامة بغض النظر عن نوع الأيون الخاص بها.

ومع ذلك، في الوقت الحالي، نظرًا لأن الإلكتروليت البديل لدينا له خصائص فيزيائية مماثلة للإلكتروليتات المستخدمة حاليًا، فيمكن دمجه بسهولة مع خطوط إنتاج البطاريات الحالية.وإذا احتضنتها الصناعة، فإننا نتوقع أن تتمكن الشركات من تصنيع بطاريات غير قابلة للاشتعال باستخدام مرافق بطاريات الليثيوم أيون الموجودة لديها.

ال موجز البحث عبارة عن نبذة قصيرة عن العمل الأكاديمي المثير للاهتمام.