Самозатухающие батареи могут снизить риск смертельных и дорогостоящих возгораний батарей

Прочитано: 118 раз(а)


В недавно опубликованном исследовании в журнале Nature Sustainability мы описываем нашу конструкцию самозатухающей аккумуляторной батареи. Он заменяет наиболее часто используемый высокогорючий 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 в качестве электролитов для аккумуляторов, мы смогли создать аккумулятор, который самостоятельно тушит возгорание.

Наш электролит хорошо работал в широком диапазоне температур, примерно от минус 100 до 175 градусов по Фаренгейту (от минус 75 до 80 градусов по Цельсию). Батареи, 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. Забивание гвоздя из нержавеющей стали через заряженную батарею 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.

По своей природе температура аккумулятора меняется по мере его зарядки и разрядки из-за внутреннего сопротивления — сопротивления внутри аккумулятора потоку ионов лития. Высокие температуры наружного воздуха или неравномерность температуры внутри аккумуляторного блока серьезно угрожают безопасности и долговечности аккумуляторов.

Энергоемкие аккумуляторы, такие как литий-ионные версии, которые широко используются в электронике и электромобилях , содержат состав электролита, в котором преобладают легковоспламеняющиеся органические молекулы. Это увеличивает риск температурного выхода из -под контроля — неконтролируемого процесса, 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, что приведет к возгоранию или взрыву.

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 ученые, изучающие производство , хранение и преобразование энергии , мы очень заинтересованы в разработке энергоемких и безопасных батарей. Замена легковоспламеняющихся электролитов огнестойким электролитом потенциально 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 негорючий электролит, который легко отводил бы тепло от аккумуляторной батареи , мог бы функционировать в широком диапазоне температур, был бы очень прочным и был бы совместим с любым химическим составом аккумуляторной батареи. Однако большинство известных негорючих органических растворителей содержат фтор и фосфор, которые дороги и могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду .

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 Novec 7300 , которая обладает низкой токсичностью, негорюча 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 не известно

Поскольку литий — щелочной металл — в земной коре встречается редко, важно выяснить, 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 натриево-ионные, алюминиево-ионные и цинк-ионные 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.

Самозатухающие батареи могут снизить риск смертельных и дорогостоящих возгораний батарей



Новости партнеров