аккумуляторы могут снизить риск смертельных и дорогостоящих возгораний аккумуляторов

В недавно опубликованное исследование, мы описываем нашу конструкцию самозатухающей аккумуляторной батареи.Он заменяет наиболее часто используемый легковоспламеняющийся электролит (среду, состоящую из соли лития и органического растворителя) на материалы, которые можно найти в коммерческих огнетушителях.

Электролит позволяет ионам лития, несущим электрический заряд, перемещаться через сепаратор между положительными и отрицательными клеммами литий-ионного аккумулятора.Модифицировав доступные коммерческие охлаждающие жидкости так, чтобы они функционировали как электролиты для аккумуляторов, мы смогли создать аккумулятор, который самостоятельно тушит возгорание.

Наш электролит хорошо работал в широком диапазоне температур, от минус 100 до 175 градусов по Фаренгейту (от минус 75 до 80 градусов по Цельсию).Аккумуляторы, которые мы производили в лаборатории с этим электролитом, очень хорошо отводили тепло от батареи и эффективно тушили внутренние пожары.

Мы подвергли эти батареи тесту на проникновение гвоздя — распространенному методу оценки безопасности литий-ионных аккумуляторов.Вождение гвоздь из нержавеющей стали через заряженный аккумулятор имитирует внутреннее короткое замыкание;если батарея загорится, она не выдержит испытание.Когда мы вбили гвоздь в наши заряженные аккумуляторы, они выдержали удар и не загорелись.

Почему это важно

По своей природе температура аккумулятора меняется по мере его зарядки и разрядки из-за внутреннее сопротивление – сопротивление внутри аккумулятора потоку ионов лития. Высокие температуры наружного воздуха или неравномерность температуры внутри аккумуляторной батареи серьезно угрожают безопасности и долговечности батарей.

Энергоемкие аккумуляторы, такие как литий-ионные версии, которые широко используются в электронике и электромобилях, содержат состав электролита, в котором преобладают легковоспламеняющиеся органические молекулы.Это ухудшает риск термический побег – неконтролируемый процесс, при котором избыточное тепло внутри батареи ускоряет нежелательные химические реакции, которые выделяют больше тепла, вызывая дальнейшие реакции.Температура внутри аккумулятора может повыситься на сотни градусов за секунду. вызвать пожар или взрыв.

Еще одна проблема безопасности возникает, когда литий-ионные аккумуляторы заряжаются слишком быстро.Это может вызвать химические реакции, в результате которых на аноде батареи — электроде с отрицательным зарядом — образуются очень острые литиевые иглы, называемые дендритами.В конце концов иглы проникают через сепаратор и достигают другого электрода, вызывая внутреннее короткое замыкание батареи и приводя к перегреву.

Как учёные, изучающие производство энергии, хранение и преобразование, мы очень заинтересованы в разработке энергоемких и безопасных батарей.Замена легковоспламеняющихся электролитов огнестойким электролитом может сделать литий-ионные батареи более безопасными и выиграть время для долгосрочных улучшений, которые уменьшают присущие им риски перегрева и термического выхода из-под контроля.

Как мы выполняли свою работу

Мы хотели разработать электролит, который был бы негорючим, легко отводил бы тепло от аккумуляторной батареи, мог бы функционировать в широком диапазоне температур, был бы очень прочным и был бы совместим с любыми химическими составами аккумуляторов.Однако большинство известных негорючих органических растворителей содержат фтор и фосфор, которые дороги и могут привести к вредное воздействие по окружающей среде.

Вместо этого мы сосредоточились на адаптации доступных коммерческих охлаждающих жидкостей, которые уже широко использовались в огнетушителях, электронных устройствах для тестирования и очистки, чтобы они могли функционировать в качестве электролитов для аккумуляторов.

Мы сосредоточились на проверенной, безопасной и доступной коммерческой жидкости под названием Новек 7300, который имеет низкую токсичность, негорюч и не способствует глобальному потеплению.Объединив эту жидкость с несколькими другими химическими веществами, повышающими долговечность, мы смогли создать электролит, который обладал теми свойствами, которые мы искали, и позволял аккумулятору заряжаться и разряжаться в течение всего года без значительной потери емкости.

Что еще неизвестно

Поскольку литий – щелочной металл – в земной коре встречается редко, важно изучить, насколько хорошо по сравнению с ним работают батареи, в которых используются другие, более распространенные ионы щелочных металлов, такие как калий или натрий.По этой причине наше исследование было сосредоточено преимущественно на самозатухающих калий-ионных батареях, хотя оно также показало, что наш электролит хорошо подходит для изготовления самозатухающих литий-ионных батарей.

Еще неизвестно, сможет ли наш электролит работать одинаково хорошо для других типов батарей, находящихся в разработке, таких как ион натрия, ион алюминия и цинк-ионный батареи.Наша цель — разработать практичные, экологически чистые и устойчивые батареи независимо от типа их ионов.

Однако на данный момент, поскольку наш альтернативный электролит имеет физические свойства, аналогичные используемым в настоящее время электролитам, его можно легко интегрировать в существующие линии по производству аккумуляторов.Если отрасль примет это, мы ожидаем, что компании смогут производить негорючие батареи, используя существующие мощности по производству литий-ионных батарей.

А Краткое исследование представляет собой краткий обзор интересной научной работы.