Bateriile care se sting singure ar putea reduce riscul de incendii mortale

Într-un studiu recent, cercetătorii descriu designul pentru bateriile care se sting singure în caz de incendiu. Acestea înlocuiesc electrolitul cel mai des utilizat, care este extrem de inflamabil, un mediu compus din săruri de litiu și un solvent organic, cu materiale găsite într-un stingător de incendii comercial.

Studiul a fost publicat în Nature Sustainability.

Un electrolit le permite ionilor de litiu care transportă o sarcină electrică să se deplaseze printr-un separator între terminalele pozitive și negative ale unei baterii cu litiu-ion. Modificând lichidele de răcire comerciale accesibile pentru a funcționa ca electroliți de baterie, oamenii de știință au reușit să producă bateriile care se sting singure în caz de incendiu.

Electrolitul a funcționat bine într-un interval larg de temperaturi, de la aproximativ -75 până la 80 de grade Celsius. Bateriile produse în laborator cu acest electrolit au transferat eficient căldura departe de ele și au stins incendiile interne în mod eficient.

Aceste baterii au fost supuse testului de penetrare cu cui, o metodă obișnuită pentru evaluarea siguranței bateriilor cu litiu-ion. Introducerea unui cui de oțel inoxidabil într-o baterie încărcată simulează un scurtcircuit intern; dacă bateria ia foc, pică testul. Aceste baterii nu au luat foc, așa că au trecut testul.

De ce sunt atât de importante bateriile care se sting singure în caz de incendiu?

Temperatura unei baterii se schimbă pe măsură ce bateria se încarcă și se descarcă, din cauza rezistenței interne, adică opoziția din interiorul bateriei la fluxul de ioni de litiu. Temperaturile ridicate externe sau temperaturile neuniforme dintr-un pachet de baterii pun serios în pericol siguranța și durabilitatea bateriilor, scrie Tech Xplore.

Bateriile cu densitate mare de energie, cum ar fi cele cu litiu-ion utilizate la scară largă în electronice și vehicule electrice, conțin o formulare a electrolitului dominată de molecule organice extrem de inflamabile. Acest lucru agravează riscul de ambalare termică, un proces incontrolabil în care căldura în exces din interiorul unei baterii accelerează reacțiile chimice nedorite care eliberează și mai multă căldură, declanșând alte reacții. Temperaturile din interiorul bateriei pot crește cu sute de grade într-o secundă, provocând un incendiu sau o explozie.

O altă preocupare privind siguranța apare atunci când bateriile cu litiu-ion sunt încărcate prea rapid. Acest lucru poate provoca reacții chimice care produc ace de litiu foarte ascuțite numite dendrite pe anodul bateriei, electrodul cu sarcină negativă. În cele din urmă, acele ace străpung separatorul și ajung la celălalt electrod, scurtcircuitând bateria intern și ducând la supraîncălzire.

Baterii mai sigure

Oamenii de știință care studiază generarea, stocarea și conversia energiei au un interes puternic în dezvoltarea de baterii dense din punct de vedere al energiei și sigure. Înlocuirea electroliților inflamabili cu un electrolit ignifug are potențialul de a face bateriile cu litiu-ion mai sigure și poate câștiga timp pentru îmbunătățiri pe termen lung care reduc riscurile inerente de supraîncălzire și de ambalare termică.

Cercetătorii și-au dorit să dezvolte un electrolit care să nu fie inflamabil, care să transfere ușor căldura departe de pachetul de baterii, să poată funcționa într-un interval larg de temperaturi, să fie foarte durabil și să fie compatibil cu orice chimie a bateriei. Cu toate acestea, majoritatea solvenților organici non-inflamabili cunoscuți conțin fluor și fosfor, care au un cost mare și pot avea efecte dăunătoare mediului.

În schimb, cercetătorii s-au concentrat pe adaptarea lichidelor de răcire comerciale accesibile care erau deja utilizate la scară largă în stingătoare de incendii, teste electronice și aplicații de curățare, astfel încât să poată funcționa ca electroliti de baterie.

Bateriile care se sting singure ar putea fi produse în fabricile existente

Oamenii de știință au ales un fluid comercial matur, sigur și accesibil, numit Novec 7300, care are toxicitate redusă, nu este inflamabil și nu contribuie la încălzirea globală. Prin combinarea acestui fluid cu mai multe alte substanțe chimice care adaugă durabilitate, s-a reușit producerea unui electrolit care avea caracteristicile dorite și care îi permitea unei baterii să se încarce și să se descarce pe o perioadă de un an fără a-și pierde semnificativ capacitatea.

Deoarece litiul, un metal alcalin, este rar în scoarța Pământului, este important să se investigheze cât de bine se descurcă bateriile care folosesc ioni de alte metale alcaline, cum ar fi potasiul sau sodiul. Din acest motiv, studiul s-a concentrat în principal pe bateriile care se sting singure cu ioni de potasiu, deși a arătat și că electrolitul funcționează bine pentru a produce baterii auto-stinse cu litiu-ion.

Rămâne de văzut dacă electrolitul poate funcționa la fel de bine pentru alte tipuri de baterii aflate în dezvoltare, cum ar fi bateriile cu sodiu, aluminiu și zinc. Scopul cercetătorilor este de a dezvolta baterii practice, prietenoase cu mediul și durabile, indiferent de tipul de ioni.

Pentru moment, însă, deoarece electrolitul alternativ are proprietăți fizice similare cu cele ale electroliților utilizați în prezent, poate fi integrat ușor în liniile de producție de baterii actuale. Dacă industria îl adoptă, oamenii de știință se așteaptă ca producătorii să poată fabrica baterii non-inflamabile utilizând unitățile lor existente pentru baterii cu litiu-ion.

Vă recomandăm să citiți și:

A fost creat primul prototip de baterie cu hemoglobină

Cercetătorii au dezvoltat celulele solare elastice

Cercetătorii au creat „solul electronic” care accelerează creșterea culturilor

Bateriile cuantice s-ar putea încărca mai repede schimbând regulile cauzalității