Batterien könnten das Risiko tödlicher und kostspieliger Batteriebrände verringern

In einem neu veröffentlichte Studie, beschreiben wir unseren Entwurf für eine selbstverlöschende wiederaufladbare Batterie.Es ersetzt den am häufigsten verwendeten Elektrolyten, der leicht brennbar ist – ein Medium bestehend aus einem Lithiumsalz und einem organischen Lösungsmittel – durch Materialien, die in einem handelsüblichen Feuerlöscher zu finden sind.

Ein Elektrolyt ermöglicht es Lithiumionen, die eine elektrische Ladung tragen, sich über einen Separator zwischen den positiven und negativen Anschlüssen einer Lithium-Ionen-Batterie zu bewegen.Indem wir erschwingliche kommerzielle Kühlmittel so modifizierten, dass sie als Batterieelektrolyte fungierten, konnten wir eine Batterie herstellen, die ihr eigenes Feuer löscht.

Unser Elektrolyt funktionierte über einen weiten Temperaturbereich von etwa minus 100 bis 175 Grad Fahrenheit (minus 75 bis 80 Grad Celsius) gut.Batterien, die wir im Labor mit diesem Elektrolyten hergestellt haben, leiteten die Wärme sehr gut von der Batterie ab und löschten interne Brände effektiv.

Wir haben diese Batterien dem Nagelpenetrationstest unterzogen, einer gängigen Methode zur Bewertung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien.Fahren a Edelstahlnagel durch eine geladene Batterie simuliert einen internen Kurzschluss;Wenn die Batterie Feuer fängt, besteht sie den Test nicht.Als wir einen Nagel durch unsere geladenen Batterien schlugen, hielten sie dem Aufprall stand, ohne Feuer zu fangen.

Warum es wichtig ist

Naturgemäß ändert sich die Temperatur einer Batterie beim Laden und Entladen innerer Widerstand – Widerstand innerhalb der Batterie gegen den Fluss von Lithium-Ionen. Hohe Außentemperaturen oder ungleichmäßige Temperaturen innerhalb eines Akkupacks gefährden ernsthaft die Sicherheit und Haltbarkeit der Akkus.

Energiedichte Batterien, wie die Lithium-Ionen-Versionen, die in der Elektronik und in Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, enthalten eine Elektrolytformulierung, die aus organischen Molekülen besteht, die leicht entzündlich sind.Dadurch erhöht sich das Risiko thermisches Durchgehen – ein unkontrollierbarer Prozess, bei dem überschüssige Wärme in einer Batterie unerwünschte chemische Reaktionen beschleunigt, die mehr Wärme freisetzen und weitere Reaktionen auslösen.Die Temperaturen im Inneren der Batterie können in einer Sekunde um Hunderte Grad ansteigen. einen Brand oder eine Explosion verursachen.

Ein weiteres Sicherheitsrisiko entsteht, wenn Lithium-Ionen-Akkus zu schnell aufgeladen werden.Dies kann zu chemischen Reaktionen führen, die sehr scharfe Lithiumnadeln, sogenannte Dendriten, auf der Anode der Batterie – der Elektrode mit negativer Ladung – erzeugen.Schließlich durchdringen die Nadeln den Separator und erreichen die andere Elektrode, wodurch die Batterie intern kurzgeschlossen wird und zu einer Überhitzung führt.

Als Wissenschaftler studieren Energieerzeugung, Speicherung und Umwandlung, Wir haben ein starkes Interesse an der Entwicklung energiedichter und sicherer Batterien.Der Ersatz brennbarer Elektrolyte durch einen flammhemmenden Elektrolyten hat das Potenzial, Lithium-Ionen-Batterien sicherer zu machen und kann Zeit für längerfristige Verbesserungen gewinnen, die die inhärenten Risiken von Überhitzung und thermischem Durchgehen verringern.

Wie wir unsere Arbeit gemacht haben

Wir wollten einen Elektrolyten entwickeln, der nicht brennbar ist, die Wärme problemlos vom Batteriepack ableitet, über einen weiten Temperaturbereich funktioniert, sehr langlebig ist und mit jeder Batteriechemie kompatibel ist.Die meisten bekannten nicht brennbaren organischen Lösungsmittel enthalten jedoch Fluor und Phosphor, die teuer sind und möglicherweise Gas enthalten schädliche Wirkungen auf die Umwelt.

Stattdessen haben wir uns darauf konzentriert, erschwingliche kommerzielle Kühlmittel, die bereits in Feuerlöschern, elektronischen Prüf- und Reinigungsanwendungen weit verbreitet sind, so umzuwandeln, dass sie als Batterieelektrolyte fungieren können.

Wir haben uns auf eine ausgereifte, sichere und erschwingliche kommerzielle Flüssigkeit namens konzentriert Novec 7300, das eine geringe Toxizität aufweist, nicht brennbar ist und nicht zur globalen Erwärmung beiträgt.Durch die Kombination dieser Flüssigkeit mit mehreren anderen Chemikalien, die für mehr Haltbarkeit sorgten, konnten wir einen Elektrolyten herstellen, der die von uns gewünschten Eigenschaften hatte und es einer Batterie ermöglichen würde, ein ganzes Jahr lang ohne nennenswerten Kapazitätsverlust zu laden und zu entladen.

Was noch nicht bekannt ist

Da Lithium – ein Alkalimetall – in der Erdkruste knapp ist, ist es wichtig zu untersuchen, wie gut Batterien, die andere, häufiger vorkommende Alkalimetallionen wie Kalium oder Natrium verwenden, im Vergleich abschneiden.Aus diesem Grund konzentrierte sich unsere Studie hauptsächlich auf selbstverlöschende Kalium-Ionen-Batterien, zeigte jedoch auch, dass sich unser Elektrolyt gut für die Herstellung selbstverlöschender Lithium-Ionen-Batterien eignet.

Es bleibt abzuwarten, ob unser Elektrolyt auch für andere in der Entwicklung befindliche Batterietypen, wie z Natriumion, Aluminiumion Und Zink-Ion Batterien.Unser Ziel ist es, praktische, umweltfreundliche und nachhaltige Batterien unabhängig von ihrem Ionentyp zu entwickeln.

Da unser alternativer Elektrolyt jedoch ähnliche physikalische Eigenschaften wie derzeit verwendete Elektrolyte aufweist, kann er problemlos in aktuelle Batterieproduktionslinien integriert werden.Wenn die Industrie dies annimmt, gehen wir davon aus, dass Unternehmen in der Lage sein werden, nicht brennbare Batterien mithilfe ihrer bestehenden Lithium-Ionen-Batterieanlagen herzustellen.

Der Forschungsbericht ist ein kurzer Einblick in interessante wissenschaftliche Arbeiten.