V nově publikované studii se popisuje návrh samozhášivé dobíjecí baterie. Nahrazuje nejběžněji používaný elektrolyt, který je vysoce hořlavý – médium složené z lithné soli a organického rozpouštědla – materiály, které se nacházejí v komerčních hasicích přístrojích.
Elektrolyt umožňuje lithiovým iontům, které nesou elektrický náboj, pohybovat se přes oddělovač mezi kladným a záporným pólem lithium-iontové baterie. A to zejména úpravou cenově dostupných komerčních chladicích kapalin tak, aby fungovaly jako elektrolyty baterií. A vyrobit tak baterii, která hasí vlastní oheň.
Elektrolyt fungoval dobře v širokém teplotním rozsahu, od – 100 do 175 stupňů Fahrenheita (- 75 až 80 stupňů Celsia). Baterie, které se vyrobili v laboratoři s tímto elektrolytem, velmi dobře přenášely teplo z baterie a účinně hasily vnitřní požáry.
Návrh pro samozhášivé dobíjecí baterie
Tyto baterie se podrobili testu penetrace hřebíkem. Což je běžná metoda pro hodnocení bezpečnosti lithium-iontových baterií. Proražení hřebíku z nerezové oceli nabitou baterií simuluje vnitřní zkrat; pokud se baterie vznítí, test neprojde. Když se prorazil hřebík nabitými bateriemi, vydržely náraz, aniž by se vznítily.
Teplota baterie
Přirozeně se teplota baterie při nabíjení a vybíjení mění v důsledku vnitřního odporu – odporu uvnitř baterie vůči toku iontů lithia. Vysoké venkovní teploty nebo nerovnoměrné teploty uvnitř baterie vážně ohrožují bezpečnost a životnost baterií.
Energeticky husté baterie, jako jsou lithium-iontové verze, které se široce používají v elektronice a elektrických vozidlech, obsahují složení elektrolytu, kterému dominují organické molekuly, které jsou vysoce hořlavé.
To zhoršuje riziko tepelného úniku – nekontrolovatelného procesu, při kterém nadměrné teplo uvnitř baterie urychluje nežádoucí chemické reakce, které uvolňují více tepla a spouštějí další reakce. Teplota uvnitř baterie se může za sekundu zvýšit o stovky stupňů a způsobit tak požár nebo dokonce výbuch.
Další bezpečnostní problém vzniká, když se lithium-iontové baterie nabíjejí příliš rychle. To může způsobit chemické reakce, které vytvářejí velmi ostré lithiové jehly zvané dendrity na anodě baterie – elektrodě se záporným nábojem. Nakonec jehly proniknou separátorem a dosáhnou druhé elektrody, zkratují baterii uvnitř, která tak vede k přehřátí.
Vědci studující výrobu, skladování a přeměnu energie mají velký zájem na vývoji energeticky hustých a bezpečných baterií. Nahrazení hořlavých elektrolytů elektrolytem zpomalujícím hoření má potenciál učinit lithium-iontové baterie bezpečnějšími a může získat čas na dlouhodobější vylepšení, která snižují inherentní rizika přehřátí a tepelného úniku.
Vývoj elektrolytu
Vědci chtějí vyvinout elektrolyt, který bude nehořlavý, bude snadno přenášet teplo z baterie, bude fungovat v širokém teplotním rozsahu, bude velmi odolný a bude kompatibilní s jakoukoli chemií baterie. Většina známých nehořlavých organických rozpouštědel však obsahuje fluor a fosfor, které jsou drahé a mohou mít škodlivé účinky na životní prostředí.
Místo toho se chtějí vědci zaměřili na přizpůsobení cenově dostupných komerčních chladicích kapalin. Ty se již široce používají v hasicích přístrojích, elektronických testovacích a čisticích aplikacích, aby mohly fungovat jako elektrolyty baterií.
Zaměřili se na vyzrálou, bezpečnou a cenově dostupnou komerční kapalinu s názvem Novec 7300, která má nízkou toxicitu, je nehořlavá a nepřispívá ke globálnímu oteplování. Vědci kombinací této kapaliny s několika dalšími chemikáliemi, které zvyšují odolnost, vyrobí elektrolyt, který má vlastnosti, které hledali. A umožní, aby se baterie nabíjela a vybíjela po celý rok bez významné ztráty kapacity.
Co se ještě neví o samozhášivých bateriích
Protože lithium – alkalický kov – je v naší zemské kůře vzácný, je důležité prozkoumat, jak dobře si ve srovnání stojí baterie, které používají jiné, hojnější ionty alkalických kovů, jako je draslík nebo sodík. Z tohoto důvodu se studie zaměřila převážně na samozhášecí draslík-iontové baterie. I když také ukázala, že elektrolyt funguje dobře pro výrobu samozhášivých lithium-iontových baterií.
Zbývá zjistit, zda elektrolyt může fungovat stejně dobře i pro další typy baterií, které jsou ve vývoji, jako jsou sodík-iontové, hliník-iontové a zinko-iontové baterie. Cílem se tak jeví vyvíjet praktické, ekologické a udržitelné baterie bez ohledu na jejich typ iontů.
Alternativní elektrolyt má podobné fyzikální vlastnosti jako aktuálně používané elektrolyty. A lze jej tak snadno integrovat do současných výrobních linek baterií. Pokud to průmysl přijme, očekává se, že společnosti budou schopny vyrábět nehořlavé baterie pomocí svých stávajících zařízení na lithium-iontové baterie.
Zdroj: thedriven, Vapol
