le batterie potrebbero ridurre il rischio di incendi mortali e costosi

Nell'a studio appena pubblicato, descriviamo il nostro progetto di batteria ricaricabile autoestinguente.Sostituisce l'elettrolita più comunemente usato, che è altamente combustibile – un mezzo composto da un sale di litio e un solvente organico – con materiali presenti in un estintore commerciale.

Un elettrolita consente agli ioni di litio che trasportano una carica elettrica di spostarsi attraverso un separatore tra i terminali positivo e negativo di una batteria agli ioni di litio.Modificando i refrigeranti commerciali a prezzi accessibili affinché funzionino come elettroliti della batteria, siamo stati in grado di produrre una batteria che spegne il proprio fuoco.

Il nostro elettrolita ha funzionato bene in un ampio intervallo di temperature, da circa meno 100 a 175 gradi Fahrenheit (da meno 75 a 80 gradi Celsius).Le batterie che abbiamo prodotto in laboratorio con questo elettrolita trasferivano molto bene il calore dalla batteria e spegnevano efficacemente gli incendi interni.

Abbiamo sottoposto queste batterie al test di penetrazione dei chiodi, un metodo comune per valutare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.Guidare a chiodo in acciaio inossidabile tramite una batteria carica simula un cortocircuito interno;se la batteria prende fuoco, non supera il test.Quando abbiamo piantato un chiodo nelle nostre batterie cariche, queste hanno resistito all'impatto senza prendere fuoco.

Perché è importante

Per natura, la temperatura di una batteria cambia mentre si carica e si scarica, a causa di resistenza interna – opposizione all’interno della batteria al flusso degli ioni di litio. Temperature esterne elevate o temperature irregolari all’interno di un pacco batteria mettono seriamente a rischio la sicurezza e la durata delle batterie.

Le batterie ad alta densità energetica, come le versioni agli ioni di litio ampiamente utilizzate nell’elettronica e nei veicoli elettrici, contengono una formulazione elettrolitica dominata da molecole organiche altamente infiammabili.Ciò peggiora il rischio di fuga termica – un processo incontrollabile in cui il calore in eccesso all’interno di una batteria accelera reazioni chimiche indesiderate che rilasciano più calore, innescando ulteriori reazioni.La temperatura all'interno della batteria può aumentare di centinaia di gradi in un secondo, provocando un incendio o un'esplosione.

Un altro problema di sicurezza sorge quando le batterie agli ioni di litio vengono caricate troppo rapidamente.Ciò può causare reazioni chimiche che producono aghi di litio molto affilati chiamati dendriti sull’anodo della batteria, l’elettrodo con carica negativa.Alla fine, gli aghi penetrano nel separatore e raggiungono l'altro elettrodo, cortocircuitando la batteria internamente e provocandone il surriscaldamento.

Come scienziati che studiano generazione di energia, archiviazione e conversione, abbiamo un forte interesse nello sviluppo di batterie sicure e ad alta densità energetica.La sostituzione degli elettroliti infiammabili con un elettrolita ritardante di fiamma ha il potenziale per rendere le batterie agli ioni di litio più sicure e può far guadagnare tempo per miglioramenti a lungo termine che riducano i rischi intrinseci di surriscaldamento e fuga termica.

Come abbiamo svolto il nostro lavoro

Volevamo sviluppare un elettrolita che non fosse infiammabile, trasferisse facilmente il calore dal pacco batteria, potesse funzionare in un ampio intervallo di temperature, fosse molto durevole e compatibile con qualsiasi chimica delle batterie.Tuttavia, la maggior parte dei solventi organici non infiammabili conosciuti contengono fluoro e fosforo, che sono costosi e possono contenere effetti dannosi sull'ambiente.

Ci siamo invece concentrati sull’adattamento di refrigeranti commerciali a prezzi accessibili già ampiamente utilizzati negli estintori, nei test elettronici e nelle applicazioni di pulizia, in modo che potessero funzionare come elettroliti delle batterie.

Ci siamo concentrati su un fluido commerciale maturo, sicuro e conveniente chiamato 7300 novembre, che ha una bassa tossicità, non è infiammabile e non contribuisce al riscaldamento globale.Combinando questo fluido con diverse altre sostanze chimiche che ne aumentavano la durata, siamo stati in grado di produrre un elettrolita con le caratteristiche che cercavamo e che consentisse a una batteria di caricarsi e scaricarsi per un anno intero senza perdere una capacità significativa.

Cosa ancora non si sa

Poiché il litio – un metallo alcalino – è scarso nella nostra crosta terrestre, è importante studiare come se la cavano bene le batterie che utilizzano altri ioni di metalli alcalini più abbondanti, come potassio o sodio.Per questo motivo, il nostro studio si è concentrato prevalentemente sulle batterie autoestinguenti agli ioni di potassio, sebbene abbia anche dimostrato che il nostro elettrolita funziona bene per realizzare batterie agli ioni di litio autoestinguenti.

Resta da vedere se il nostro elettrolita può funzionare altrettanto bene per altri tipi di batterie in fase di sviluppo, come ad esempio ione sodio, ione alluminio E ione zinco batterie.Il nostro obiettivo è sviluppare batterie pratiche, rispettose dell’ambiente e sostenibili indipendentemente dal tipo di ioni.

Per ora, tuttavia, poiché il nostro elettrolita alternativo ha proprietà fisiche simili agli elettroliti attualmente utilizzati, può essere facilmente integrato con le attuali linee di produzione di batterie.Se l’industria lo accoglierà, prevediamo che le aziende saranno in grado di produrre batterie non infiammabili utilizzando gli impianti esistenti di batterie agli ioni di litio.

IL Breve ricerca è una breve interpretazione di un interessante lavoro accademico.