Tűzálló lítium-ion akkumulátor a láthatáron

Az újratölthető lítium-ion akkumulátorok telefonokat, laptopokat, egyéb személyi elektronikai cikkeket és elektromos autókat látnak el elektromos árammal, sőt, sok esetben a napelemek által termelt energia tárolására is szolgálnak. De ha ezeknek az akkumulátoroknak a hőmérséklete túl magasra emelkedik, leállnak és meggyulladhatnak. Ám lehet, hogy erre a problémára most megoldást találtak.

A jelenségnek részben az az oka, hogy a bennük lévő elektrolit, amely lítium-ionokat szállít a két elektróda között, miközben az akkumulátor töltődik és kisül, sajnos gyúlékony.

“Az egyik legnagyobb kihívás az akkumulátoriparban ez a biztonsági probléma, ezért sok erőfeszítést kell tenni annak érdekében, hogy biztonságos akkumulátor-elektrolitot készítsünk” – mondta Rachel Z Huang, a Stanford Egyetem végzős hallgatója és annak az ide vonatkozó tanulmánynak az egyik szerzője amely november 30-án a Matterben jelent meg.

Huang nem gyúlékony elektrolitot fejlesztett ki lítium-ion akkumulátorokhoz 19 másik kutatóval az Energiaügyi Minisztérium SLAC National Accelerator Laboratóriumában és a Stanford Egyetemen. Munkájuk bebizonyította, hogy az ezt az elektrolitot tartalmazó akkumulátorok továbbra is működnek magas hőmérsékleten anélkül, hogy kigyullandának.

Biztosítás sóval

A hagyományos lítium-ion akkumulátor-elektrolitok folyékony szerves oldószerben, például éterben vagy karbonátban oldott lítiumsóból készülnek. Noha ez az oldószer javítja az akkumulátor teljesítményét azáltal, hogy segíti a lítium-ionok mozgását, egyben potenciális tűzgyújtó is.

Az akkumulátorok működésük során hőt termelnek. Ha pedig defektek vannak az akkumulátoron, az gyorsan felmelegszik. 60 °C feletti hőmérsékleten az elektrolitban lévő kis oldószermolekulák elkezdenek elpárologni, folyadékból gázzá alakulnak, és léggömbszerűen felfújják az akkumulátort – egészen addig, amíg a gáz meg nem gyullad, és az egész lángba borul.

Az elmúlt 30 év során a kutatók nem gyúlékony elektrolitokat, például polimer elektrolitokat fejlesztettek ki, amelyek polimer mátrixot használnak a klasszikus só-oldóoldat helyett az ionok mozgatására. Ezek a biztonságosabb alternatívák azonban nem mozgatják olyan hatékonyan az ionokat, mint a folyékony oldószerek, így teljesítményük nem éri el a hagyományos elektrolitokét.

A csapat olyan polimer alapú elektrolitot akart előállítani, amely biztonságot és teljesítményt is kínál. És Huangnak volt egy ötlete.

Úgy döntött, hozzáad egy LiFSI nevű lítium-sót egy polimer alapú elektrolithoz, amelyet Jian-Cheng Lai, a Stanford Egyetem posztdoktori tudósa és a tanulmány társszerzője tervezett és szintetizált.

„Csak látni akartam, mennyit tudok hozzáadni, és tesztelni a határt” – mondta Huang. Általában a polimer alapú elektrolit tömegének kevesebb, mint 50%-a só. Huang ezt a számot 63%-ra növelte, és létrehozta az egyik legsósabb polimer alapú elektrolitot.

Más polimer alapú elektrolitoktól eltérően ez is tartalmazott gyúlékony oldószermolekulákat. Azonban a teljes elektrolit, amely az oldószerrel rögzített nem gyúlékony elektrolit (SAFE) néven ismert, magas hőmérsékleten nem bizonyult gyúlékonynak a lítium-ion akkumulátorral végzett tesztek során.

A SAFE azért működik, mert az oldószerek és a só együtt hatnak. Az oldószermolekulák elősegítik az ionok vezetését, ami a hagyományos elektrolitokat tartalmazó akkumulátorokéhoz hasonló teljesítményt eredményez. De ahelyett, hogy magas hőmérsékleten meghibásodnának, mint a legtöbb lítium-ion akkumulátor, a SAFE-ot tartalmazó akkumulátorok továbbra is működnek 25 és 100 Celsius fok között.

Eközben a bőségesen hozzáadott sók az oldószermolekulák rögzítéseként szolgálnak, megakadályozva, hogy azok elpárologjanak és meggyulladjanak.

„Ez az új felfedezés a polimer alapú elektrolittervezés új gondolkodásmódjára mutat rá” – mondta Zhenan Bao, a Stanfordi Egyetem professzora, a Stanfordi Anyag- és Energiatudományi Intézet (SIMES) kutatója, aki Huang tanácsadója. “Ez az elektrolit fontos a jövőbeni akkumulátorok fejlesztéséhez, amelyek egyszerre nagy energiasűrűségűek és biztonságosak.”

Felhasználhatóság

A polimer alapú elektrolitok lehetnek szilárdak vagy folyékonyak. Fontos, hogy a SAFE oldószerei és sói lágyítják a polimer mátrixot, hogy a hagyományos elektrolitokhoz hasonlóan nyálkás folyadékká váljanak.

Előny, hogy a ragacsos elektrolit beilleszthető a meglévő, kereskedelemben kapható lítium-ion akkumulátorrészekbe, ellentétben más nem gyúlékony elektrolitokkal, amelyek megjelentek. A szilárdtest kerámia elektrolitokhoz például speciálisan tervezett elektródákat kell használni, ami költségessé teszi az előállításukat.

„A SAFE segítségével nincs szükség a gyártási struktúrák megváltoztatására” – mondta Huang. “Természetesen, ha valaha is gyártásra használják, akkor optimalizálni kell, hogy az elektrolit beilleszkedjen a gyártósorba, de a munka sokkal kevesebb, mint bármely más rendszernél.”

Yi Cui, a SLAC és a Stanford professzora, valamint a SIMES kutatója, aki Huangnak is tanácsot ad, azt mondta: „Ez a nagyon izgalmas új akkumulátor-elektrolit kompatibilis a meglévő lítium-ion akkumulátorcella technológiával, és nagy hatással lenne a fogyasztói elektronikára és az elektromos közlekedésre. ”

A SAFE nagyon jó kilátásokkal kecsegtet az autóipar számára, egyértelműen a BEV piac a cél.

Ha egy elektromos autóban a több lítium-ion akkumulátor túl közel helyezkedik el egymáshoz, felmelegíthetik egymást, ami végül túlmelegedéshez és tüzet okozhat. De ha egy elektromos autó olyan elektrolittal töltött akkumulátorokat tartalmaz, mint a SAFE, amely magas hőmérsékleten is stabil, akkor az akkumulátorok egymáshoz közel helyezhetők anélkül, hogy aggódnának a túlmelegedéstől.

Amellett, hogy csökkenti a tűzveszélyt, ez azt jelenti, hogy kevesebb helyet foglalnak el a hűtőrendszerek, és több hely marad az akkumulátoroknak. Több akkumulátor növeli az általános energiasűrűséget, ami azt jelenti, hogy az autó hosszabb ideig tarthat a töltések között.

„Tehát ez nem csak biztonsági előny” – mondta Huang. “Ez az elektrolit azt is lehetővé teheti, hogy sokkal több akkumulátort csomagoljon be.”

Kíváncsian várjuk, mikor jelenik meg a piacon az új technológia.