Un studiu recent publicat de Apparao Rao – profesor de fizică, Universitatea Clemson și Bingan Lu – profesor asociat de fizică și electronică, Universitatea din Hunan prezintă rezultatele obținute în găsirea unor soluții pentru a evita autoaprinderea bateriilor mașinilor electrice. Reproducem în continuare un rezumat al acelui studiu.
Principiul de funcționare
Atunci când o baterie litiu-ion furnizează energie unui dispozitiv, ionii de litiu – atomi care poartă o sarcină electrică – se deplasează de la anod la catod. La reîncărcare, ionii se deplasează în sens invers (Fig.1)
Sursa foto © Argonne National Laboratory/Flickr, CC BY-NC-SA
Studiul
Într-un studiu recent publicat, descriem proiectul nostru pentru o baterie reîncărcabilă cu autoextincție. Acesta înlocuiește electrolitul cel mai frecvent utilizat, care este foarte inflamabil – un mediu compus dintr-o sare de litiu și un solvent organic – cu materiale care se găsesc într-un stingător de incendiu comercial.
Un electrolit permite ionilor de litiu care poartă o sarcină electrică să se deplaseze prin separatorul dintre bornele pozitive și negative ale unei baterii litiu-ion. Prin modificarea lichidelor de răcire comerciale accesibile pentru a funcționa ca electroliți pentru baterii, am reușit să producem o baterie care își stinge singură focul.
Electrolitul nostru a funcționat bine pe o gamă largă de temperaturi, de la aproximativ minus 75 la 80 de grade Celsius. Bateriile pe care le-am produs în laborator cu acest electrolit au transferat foarte bine căldura în afara bateriei și au stins eficient incendiile interne.
Am supus aceste baterii la testul de penetrare a cuielor, o metodă obișnuită de evaluare a siguranței bateriilor litiu-ion.
Introducerea unui cui din oțel inoxidabil într-o baterie încărcată simulează un scurtcircuit intern; dacă bateria ia foc, aceasta nu trece testul.
Când am înfipt un cui în bateriile noastre încărcate, acestea au rezistat impactului fără să ia foc.
De ce este important
Prin natura sa, temperatura unei baterii se modifică pe măsură ce se încarcă și se descarcă, din cauza rezistenței interne – opoziția din interiorul bateriei la fluxul de ioni de litiu.
Temperaturile ridicate din exterior sau temperaturile neuniforme din interiorul unui pachet de baterii amenință grav siguranța și durabilitatea bateriilor.
Bateriile cu densitate de energie, cum ar fi versiunile litiu-ion care sunt utilizate pe scară largă în aparatele electronice și în vehiculele electrice, conțin o formulă de electrolit dominată de molecule organice care sunt foarte inflamabile. Acest lucru înrăutățește riscul de fugă termică – un proces incontrolabil în care excesul de căldură din interiorul unei baterii accelerează reacții chimice nedorite care eliberează 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 problemă de siguranță apare atunci când bateriile litiu-ion sunt încărcate prea repede. 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 pătrund în separator și ajung la celălalt electrod, scurtcircuitând bateria în interior și ducând la supraîncălzire.
În calitate de oameni de știință care studiază generarea, stocarea și conversia energiei, suntem foarte interesați de dezvoltarea de baterii sigure și cu densitate energetică. Înlocuirea electroliților inflamabili cu un electrolit ignifugat are potențialul de a face bateriile litiu-ion mai sigure și poate câștiga timp pentru îmbunătățiri pe termen mai lung care să reducă riscurile inerente de supraîncălzire și de pierdere termică.
Cum am lucrat
Am vrut să dezvoltăm un electrolit care să fie neinflamabil, care să transfere ușor căldura de la pachetul de baterii, care să funcționeze într-o gamă largă de temperaturi, care să fie foarte durabil și care să fie compatibil cu orice chimie de baterii. Cu toate acestea, majoritatea solvenților organici neinflamabili cunoscuți conțin fluor și fosfor, care sunt scumpi și pot avea efecte dăunătoare asupra mediului.
În schimb, ne-am concentrat pe adaptarea unor agenți de răcire comerciali la prețuri accesibile, care erau deja utilizați pe scară largă în stingătoarele de incendiu și în aplicațiile de testare electronică și de curățare, astfel încât să poată funcționa ca electroliți pentru baterii.
Ne-am axat pe un fluid comercial matur, sigur și accesibil, numit Novec 7300, care are o toxicitate scăzută, nu este inflamabil și nu contribuie la încălzirea globală. Combinând acest fluid cu alte câteva substanțe chimice care au adăugat durabilitate, am reușit să producem un electrolit care avea caracteristicile pe care le căutam și care ar permite unei baterii să se încarce și să se descarce pe parcursul unui an întreg fără a pierde o capacitate semnificativă.
Ce nu se știe încă
Deoarece litiul – un metal alcalin – este rar în scoarța terestră, este important să se investigheze cât de bine se comportă, în comparație, bateriile care utilizează alți ioni de metale alcaline mai abundenți, cum ar fi potasiul sau sodiul. Din acest motiv, studiul nostru s-a axat în principal pe bateriile cu ioni de potasiu cu autoextincție, deși a arătat, de asemenea, că electrolitul nostru funcționează bine pentru fabricarea bateriilor cu ioni de litiu cu autoextincție.
Rămâne de văzut dacă electrolitul nostru poate funcționa la fel de bine și pentru alte tipuri de baterii care sunt în curs de dezvoltare, cum ar fi bateriile cu ioni de sodiu-ion, cu ioni de aluminiu și cu ioni de zinc. Scopul nostru este de a dezvolta baterii practice, ecologice și durabile, indiferent de tipul de ioni.
Deocamdată, însă, întrucât electrolitul nostru alternativ are proprietăți fizice similare cu cele ale electroliților utilizați în prezent, acesta poate fi integrat cu ușurință în liniile actuale de producție a bateriilor. Dacă industria îl va accepta, ne așteptăm ca firmele să poată fabrica baterii neinflamabile folosind instalațiile lor existente de baterii litiu-ion.
Despre Autori
Apparao Rao este în prezent profesor de fizică R. A. Bowen și fost decan asociat pentru descoperiri în cadrul Colegiului de Științe. Este membru a patru societăți prestigioase: American Physical Society și American Association for the Advancement of Science, National Academy of Inventors și Materials Research Society. Și-a obținut doctoratul în fizică la Universitatea din Kentucky în 1989, iar ulterior a fost cercetător asociat postdoctoral la MIT până în 1991. Ulterior, s-a alăturat Universității din Kentucky ca profesor asistent de cercetare înainte de a veni la Clemson în 2000. Laboratorul său este dedicat înțelegerii proprietăților atomice, magnetice, electrice, optice și biofizice/biochimice ale materialelor micro și nanostructurate.
Laboratorul său este dedicat înțelegerii proprietăților atomice, magnetice, electrice, optice și biofizice/biochimice ale materialelor micro și nanostructurate. Printre interesele de cercetare ale lui Rao se numără caracterizarea și aplicațiile nanotuburilor de carbon, ale nanolegăturilor semiconductoare, ale nanofirelor și ale materialelor termoelectrice. Punctul forte al grupului său constă în capacitatea de a sintetiza mai multe materiale nanostructurate (utilizând diverse tehnici de creștere, microscopie electronică și măsurători de transport electric).
Bingan Lu a obținut licența și doctoratul de la Universitatea Lanzhou, China, în 2008 și, respectiv, 2012, în timp ce a fost cercetător invitat la Universitatea Stanford în perioada 2014-2015. Cercetările sale se concentrează pe proiectarea de noi materiale și dispozitive de stocare a energiei cu un cost redus și o durată de viață lungă, inclusiv baterii cu ioni Li/K/Al. A publicat peste 260 de lucrări în numeroase reviste de prestigiu, printre care Nature, Nature Sustainability, Nature Communications, Advanced Materials și National Science Review.
