Fizycy z Uniwersytet Clemson i Hunan przedstawili projekt samogaszącej się baterii. Najczęściej stosowany łatwopalny elektrolit zawierający sole litowe i organiczne rozpuszczalniki zastąpili materiałami znajdującymi się w komercyjnej gaśnicy.
Elektrolit sprawa że przenosząc ładunek elektryczny jony litowe przemieszczają się pomiędzy dodatnimi i ujemnymi elektrodami. Modyfikując niedrogie dostępne w sprzedaży chłodziwa, aby działały jako elektrolity akumulatorowe, byliśmy w stanie wyprodukować baterię gaszącą ogień, który sama spowodowała, w artykule na łamach the Conversation przekonują i profesorowie fizyki z Clemson University oraz Hunan University.
Nasz elektrolit działał dobrze w szerokim zakresie temperatur, od około minus 75 do 80 st. C. Baterie, które wyprodukowaliśmy w laboratorium z tym elektrolitem, bardzo dobrze oddawały ciepło z baterii i skutecznie gasiły pożary wewnętrzne. Poddaliśmy je tzw. „nail penetration test”, powszechnej metodzie oceny bezpieczeństwa baterii litowo-jonowych. Wbijanie gwoździa ze stali nierdzewnej przez naładowaną baterię symuluje wewnętrzne zwarcie; jeśli bateria się zapali, nie przejdzie testu. Kiedy wbiliśmy gwóźdź przez nasze naładowane baterie, wytrzymały uderzenie bez zapalania się.
Dlaczego to ma znaczenie
Ze względu na wewnętrzny opór w przepływie jonó temperatura baterii zmienia się w miarę ładowania i rozładowywania. Wysokie temperatury zewnętrzne lub nierówne temperatury w akumulatorze poważnie zagrażają bezpieczeństwu i trwałości baterii. Baterie o dużej gęstości energetycznej, takie jak litowo-jonowe wersje modele stosowane w elektronice i pojazdach elektrycznych, zawierają formułę elektrolitową zdominowaną przez cząsteczki organiczne, które są wysoce łatwopalne. Zwiększa to ryzyko niekontrolowanego procesu termicznego – niekontrolowanego procesu, w którym nadmiar ciepła wewnątrz baterii przyspiesza niepożądane reakcje chemiczne, które uwalniają więcej ciepła, wywołując dalsze reakcje. Temperatury wewnątrz baterii mogą wzrosnąć o setki stopni w ciągu sekundy, powodując pożar lub eksplozję.
Kolejny problem bezpieczeństwa pojawia się, gdy akumulatory litowo-jonowe są ładowane zbyt szybko. Może to powodować reakcje chemiczne, które na anodzie baterii wytwarzają tzw. dendryty, czyli wypustki metalu, które mogą gromadzić się na powierzchni litu i wnikać w elektrolit, ostatecznie przechodząc z jednej elektrody na drugą i powodując zwarcie ogniwa baterii.
Jako naukowcy zajmujący się wytwarzaniem, magazynowaniem i konwersją energii, jesteśmy bardzo zainteresowani rozwojem bezpiecznych baterii o dużej gęstości. Zastąpienie łatwopalnych elektrolitów ognioodpornym elektrolitem może sprawić, że baterie litowo-jonowe będą bezpieczniejsze. W ten sposób możemy zyskać czas na długoterminowe ulepszenia, które zmniejszą nieodłączne ryzyko przegrzania.
Pożary baterii litowo-jonowych w pojazdach stały się dużym problemem dla strażaków, ponieważ baterie palą się w bardzo wysokich temperaturach przez długi czas.
Jak wykonaliśmy naszą pracę
Chcieliśmy opracować elektrolit, który byłby niepalny, łatwo przenosiłby ciepło z akumulatora, mógłby działać w szerokim zakresie temperatur, a przy tym pozostał bardzo trwały i byłby kompatybilny z dowolną chemią baterii. Większość znanych niepalnych rozpuszczalników organicznych zawiera jednak fluor i fosfor, które są drogie i mogą mieć szkodliwy wpływ na środowisko.
Zamiast tego skupiliśmy się na dostosowaniu przystępnych cenowo komercyjnych płynów chłodzących, które były już szeroko stosowane w gaśnicach, testach elektronicznych i aplikacjach czyszczących. Takie, które mogły funkcjonować jako elektrolity baterii.
Skoncentrowaliśmy się na dojrzałym, bezpiecznym i niedrogim płynie komercyjnym o nazwie Novec 7300, który ma niską toksyczność, jest niepalny i nie przyczynia się do globalnego ocieplenia. Łącząc ten płyn z kilkoma innymi chemikaliami, które dodały trwałości, byliśmy w stanie wyprodukować elektrolit, który miał poszukiwane przez na cechy i umożliwiłby ładowanie oraz rozładowanie baterii przez cały rok, bez utraty znacznej pojemności.
Standardowe baterie litowo-jonowe słabo przechodzą tzw. „nail penetration test”
Co wciąż nie jest znane
Ponieważ lit jest metalem rzadko wsytępującm na ziemi, ważne jest, aby sprawdzić, jak dobrze radzą sobie baterie, które wykorzystują inne, bardziej powszechne jony metali alkalicznych, takie jak potas lub sód. Z tego powodu nasze badanie koncentrowało się głównie na samogaszących się bateriach potasowo-jonowych, chociaż wykazało również, że elektrolit dobrze sprawdza się także w bateriach litowo-jonowych.
Wkrótce przekonamy się , czy nasz elektrolit może działać równie dobrze dla innych typów baterii, które są w fazie rozwoju, takich jak akumulatory sodowo-jonowe, aluminiowe i cynkowo-jonowe. Naszym celem jest opracowanie praktycznych, przyjaznych dla środowiska, zrównoważonych baterii niezależnie od rodzaju użytego pierwiastka. Tymczasem, ponieważ nasz alternatywny elektrolit ma podobne właściwości fizyczne do obecnie stosowanych elektrolitów, można go łatwo zintegrować z obecnymi liniami do produkcji baterii. Jeśli przemysł to przyjmie, spodziewamy się, że firmy będą w stanie produkować niepalne baterie przy użyciu istniejących akumulatorów litowo-jonowych.
Autorzy: profesor Fizyki, Uniwersytet Clemson oraz profesor nadzwyczajny fizyki i elektroniki, Uniwersytet Hunan
Artykuł pochodzi z serwisu The Conversation i został opublikowany w oparciu o licencję Creative Commons. Przejdź do oryginalnego artykułu
Jeszcze nie dodano komentarza!