les batteries pourraient réduire le risque d'incendies de batteries mortels et coûteux

Dans un étude récemment publiée, nous décrivons notre conception d'une batterie rechargeable auto-extinguible.Il remplace l'électrolyte le plus couramment utilisé, qui est hautement combustible – un milieu composé d'un sel de lithium et d'un solvant organique – par des matériaux présents dans un extincteur commercial.

Un électrolyte permet aux ions lithium porteurs d’une charge électrique de se déplacer à travers un séparateur entre les bornes positives et négatives d’une batterie lithium-ion.En modifiant des liquides de refroidissement commerciaux abordables pour qu'ils fonctionnent comme des électrolytes de batterie, nous avons pu produire une batterie qui éteint son propre feu.

Notre électrolyte a bien fonctionné sur une large plage de températures, d'environ moins 100 à 175 degrés Fahrenheit (moins 75 à 80 degrés Celsius).Les batteries que nous avons produites en laboratoire avec cet électrolyte évacuent très bien la chaleur de la batterie et éteignent efficacement les incendies internes.

Nous avons soumis ces batteries au test de pénétration des clous, une méthode courante pour évaluer la sécurité des batteries lithium-ion.Conduire un clou en acier inoxydable grâce à une batterie chargée simule un court-circuit interne ;si la batterie prend feu, elle échoue au test.Lorsque nous enfoncions un clou dans nos batteries chargées, elles résistaient à l’impact sans prendre feu.

Pourquoi c'est important

Par nature, la température d’une batterie change au fur et à mesure qu’elle se charge et se décharge, en raison de résistance interne – opposition au sein de la batterie au flux d’ions lithium. Températures extérieures élevées ou des températures inégales à l’intérieur d’une batterie menacent sérieusement la sécurité et la durabilité des batteries.

Les batteries à forte densité énergétique, telles que les versions lithium-ion largement utilisées dans l'électronique et les véhicules électriques, contiennent une formulation d'électrolyte dominée par des molécules organiques hautement inflammables.Cela aggrave le risque de emballement thermique – un processus incontrôlable dans lequel l’excès de chaleur à l’intérieur d’une batterie accélère des réactions chimiques indésirables qui libèrent davantage de chaleur, déclenchant ainsi d’autres réactions.La température à l’intérieur de la batterie peut augmenter de plusieurs centaines de degrés en une seconde. provoquant un incendie ou une explosion.

Un autre problème de sécurité survient lorsque les batteries lithium-ion sont chargées trop rapidement.Cela peut provoquer des réactions chimiques qui produisent des aiguilles de lithium très pointues appelées dendrites sur l’anode de la batterie – l’électrode chargée négativement.Finalement, les aiguilles pénètrent dans le séparateur et atteignent l’autre électrode, court-circuitant l’intérieur de la batterie et entraînant une surchauffe.

Comme les scientifiques étudient production d'énergie, stockage et conversion, nous avons un vif intérêt dans le développement de batteries sûres et à haute densité énergétique.Le remplacement des électrolytes inflammables par un électrolyte ignifuge a le potentiel de rendre les batteries lithium-ion plus sûres et peut permettre de gagner du temps pour des améliorations à plus long terme réduisant les risques inhérents de surchauffe et d'emballement thermique.

Comment nous avons fait notre travail

Nous voulions développer un électrolyte ininflammable, qui évacuerait facilement la chaleur de la batterie, qui pourrait fonctionner sur une large plage de températures, qui serait très durable et qui serait compatible avec n'importe quelle chimie de batterie.Cependant, la plupart des solvants organiques ininflammables connus contiennent du fluor et du phosphore, qui sont coûteux et peuvent avoir des conséquences néfastes. effets nocifs sur l'environnement.

Au lieu de cela, nous nous sommes concentrés sur l’adaptation de liquides de refroidissement commerciaux abordables qui étaient déjà largement utilisés dans les extincteurs, les tests électroniques et les applications de nettoyage, afin qu’ils puissent fonctionner comme électrolytes de batterie.

Nous nous sommes concentrés sur un fluide commercial mature, sûr et abordable appelé Novembre 7300, qui présente une faible toxicité, est ininflammable et ne contribue pas au réchauffement climatique.En combinant ce fluide avec plusieurs autres produits chimiques augmentant la durabilité, nous avons pu produire un électrolyte présentant les caractéristiques que nous recherchions et permettant à une batterie de se charger et de se décharger pendant une année complète sans perdre de capacité significative.

Ce qu'on ne sait toujours pas

Le lithium – un métal alcalin – étant rare dans la croûte terrestre, il est important d’étudier dans quelle mesure les batteries qui utilisent d’autres ions de métaux alcalins plus abondants, comme le potassium ou le sodium, se comportent en comparaison.Pour cette raison, notre étude s’est principalement concentrée sur les batteries potassium-ion auto-extinguibles, même si elle a également montré que notre électrolyte fonctionne bien pour fabriquer des batteries lithium-ion auto-extinguibles.

Reste à voir si notre électrolyte peut fonctionner aussi bien pour d'autres types de batteries en cours de développement, comme ion sodium, ion aluminium et zinc-ion piles.Notre objectif est de développer des batteries pratiques, respectueuses de l'environnement et durables quel que soit leur type d'ions.

Pour l’instant, cependant, étant donné que notre électrolyte alternatif possède des propriétés physiques similaires à celles des électrolytes actuellement utilisés, il peut être facilement intégré aux lignes de production de batteries actuelles.Si l’industrie l’adopte, nous espérons que les entreprises seront en mesure de fabriquer des batteries ininflammables en utilisant leurs installations existantes de batteries lithium-ion.

Le Résumé de recherche est un bref aperçu d'un travail universitaire intéressant.