baterias podem reduzir o risco de incêndios fatais e dispendiosos nas baterias

Em um estudo recém-publicado, descrevemos nosso projeto para uma bateria recarregável autoextinguível.Ele substitui o eletrólito mais comumente usado, que é altamente combustível – um meio composto de um sal de lítio e um solvente orgânico – por materiais encontrados em um extintor de incêndio comercial.

Um eletrólito permite que os íons de lítio que carregam uma carga elétrica se movam através de um separador entre os terminais positivo e negativo de uma bateria de íons de lítio.Ao modificar refrigerantes comerciais acessíveis para funcionarem como eletrólitos de bateria, fomos capazes de produzir uma bateria que apaga seu próprio fogo.

Nosso eletrólito funcionou bem em uma ampla faixa de temperatura, de cerca de 100 a 175 graus Fahrenheit negativos (75 a 80 graus Celsius negativos).As baterias que produzimos em laboratório com esse eletrólito transferiram muito bem o calor da bateria e extinguiram incêndios internos de maneira eficaz.

Submetemos essas baterias ao teste de penetração de pregos, um método comum para avaliar a segurança das baterias de íons de lítio.Dirigindo um prego de aço inoxidável através de uma bateria carregada simula um curto-circuito interno;se a bateria pegar fogo, ela falha no teste.Quando enfiamos um prego em nossas baterias carregadas, elas resistiram ao impacto sem pegar fogo.

Por que isso importa

Por natureza, a temperatura de uma bateria muda à medida que ela carrega e descarrega, devido a resistência interna – oposição dentro da bateria ao fluxo de íons de lítio. Altas temperaturas externas ou temperaturas irregulares dentro de uma bateria ameaçam seriamente a segurança e a durabilidade das baterias.

Baterias com alta densidade energética, como as versões de íons de lítio amplamente utilizadas em eletrônicos e veículos elétricos, contêm uma formulação eletrolítica dominada por moléculas orgânicas que são altamente inflamáveis.Isto agrava o risco de fuga térmica – um processo incontrolável em que o excesso de calor dentro de uma bateria acelera reações químicas indesejadas que liberam mais calor, desencadeando novas reações.As temperaturas dentro da bateria podem subir centenas de graus em um segundo, causando um incêndio ou explosão.

Outra preocupação de segurança surge quando as baterias de iões de lítio são carregadas demasiado rapidamente.Isto pode causar reações químicas que produzem agulhas de lítio muito afiadas chamadas dendritos no ânodo da bateria – o eletrodo com carga negativa.Eventualmente, as agulhas penetram no separador e alcançam o outro eletrodo, causando curto-circuito interno na bateria e causando superaquecimento.

Como os cientistas estudam geração de energia, armazenamento e conversão, temos um grande interesse no desenvolvimento de baterias seguras e com alta densidade energética.A substituição de eletrólitos inflamáveis ​​por um eletrólito retardador de chama tem o potencial de tornar as baterias de íons de lítio mais seguras e pode ganhar tempo para melhorias de longo prazo que reduzam os riscos inerentes de superaquecimento e fuga térmica.

Como fizemos nosso trabalho

Queríamos desenvolver um eletrólito que não fosse inflamável, transferisse prontamente o calor para fora da bateria, pudesse funcionar em uma ampla faixa de temperatura, fosse muito durável e fosse compatível com qualquer química de bateria.No entanto, a maioria dos solventes orgânicos não inflamáveis ​​conhecidos contém flúor e fósforo, que são caros e podem ter efeitos nocivos no meio ambiente.

Em vez disso, concentrámo-nos na adaptação de refrigerantes comerciais acessíveis que já eram amplamente utilizados em extintores de incêndio, testes eletrónicos e aplicações de limpeza, para que pudessem funcionar como eletrólitos de baterias.

Nós nos concentramos em um fluido comercial maduro, seguro e acessível chamado Novembro 7300, que apresenta baixa toxicidade, não é inflamável e não contribui para o aquecimento global.Ao combinar este fluido com vários outros produtos químicos que acrescentaram durabilidade, conseguimos produzir um eletrólito que tinha as características que procurávamos e permitiria que uma bateria carregasse e descarregasse durante um ano inteiro sem perder capacidade significativa.

O que ainda não se sabe

Como o lítio – um metal alcalino – é escasso na crosta terrestre, é importante investigar até que ponto as baterias que utilizam outros iões de metais alcalinos mais abundantes, como o potássio ou o sódio, se comportam bem em comparação.Por esse motivo, nosso estudo se concentrou predominantemente em baterias autoextinguíveis de íons de potássio, embora também tenha mostrado que nosso eletrólito funciona bem para fabricar baterias autoextinguíveis de íons de lítio.

Resta saber se o nosso eletrólito pode funcionar igualmente bem para outros tipos de baterias que estão em desenvolvimento, como íon de sódio, íon de alumínio e íon de zinco baterias.Nosso objetivo é desenvolver baterias práticas, ecologicamente corretas e sustentáveis, independentemente do tipo de íon.

Por enquanto, porém, como nosso eletrólito alternativo tem propriedades físicas semelhantes às dos eletrólitos usados ​​atualmente, ele pode ser facilmente integrado às atuais linhas de produção de baterias.Se a indústria o adotar, esperamos que as empresas sejam capazes de fabricar baterias não inflamáveis ​​utilizando as suas instalações existentes de baterias de iões de lítio.

O Resumo de pesquisa é uma breve visão de um trabalho acadêmico interessante.