Baterie litowo-jonowe zasilają szeroką gamę urządzeń, od smartfonów i laptopów po pojazdy elektryczne. Baterie te są wprawdzie wygodne, ale stwarzają zagrożenie: w przypadku przebicia lub zgięcia mogą zapalić się, powodując niebezpieczną reakcję łańcuchową. Jednak badacze dokonali znaczącego przełomu, pokazując sposób tworzenia zasadniczo bezpieczniejszych akumulatorów litowo-jonowych poprzez zaskakująco prostą zmianę – zmianę tylko jednego materiału w konstrukcji akumulatora. To osiągnięcie może zaowocować masową produkcją bezpieczniejszych akumulatorów w ciągu najbliższych kilku lat.
Zrozumienie ryzyka: ucieczka termiczna
Baterie litowo-jonowe działają w oparciu o specyficzną konstrukcję: elektrodę grafitową, elektrodę z tlenku metalu i elektrolit składający się z soli litu rozpuszczonej w rozpuszczalniku. Ten ciekły elektrolit umożliwia przepływ jonów litu, umożliwiając ładowanie i rozładowywanie akumulatora. Jednak to właśnie ta konstrukcja czyni je bezbronnymi. Jeśli akumulator zostanie uszkodzony – przebity lub zgięty – następuje zwarcie, a zmagazynowana energia chemiczna może zostać uwolniona niezwykle szybko. To szybkie uwolnienie energii uruchamia proces zwany „ucieczką termiczną”, który prowadzi do pożaru, a nawet eksplozji.
Nowoczesne rozwiązania bezpieczeństwa i nowe podejście
Naukowcy badali różne strategie mające na celu zmniejszenie tego ryzyka. Niektóre z nich obejmują żele ochronne lub półprzewodnikowe zamienniki ciekłego elektrolitu. Jednak zespół z Uniwersytetu w Hongkongu opracował nowy projekt, który zachowuje istniejącą architekturę akumulatorów. Ich kluczową innowacją jest zmiana materiału elektrolitu przy jednoczesnym utrzymaniu kosztów i procesów produkcji na stosunkowo stałym poziomie.
Kluczowy punkt: izolowanie złego faceta – anionu
Podstawową przyczyną ucieczki termicznej jest rozpad wiązań chemicznych. W szczególności ujemnie naładowane jony, zwane anionyami, rozrywają wiązania z litem w akumulatorze. To zerwanie wiązania uwalnia ciepło, przyspieszając cykl destrukcyjny.
Aby temu zapobiec, naukowcy wprowadzili dodatkowy rozpuszczalnik zwany bis(fluorosulfonylo)imidem litu. Ten nowy rozpuszczalnik wiąże się z litem tylko w wyższych temperaturach, czyli wtedy, gdy rozpoczyna się już niestabilność termiczna. W przeciwieństwie do konwencjonalnego rozpuszczalnika, ten nowy materiał nie pozwala na tworzenie się wiązań z anionami, skutecznie odcinając źródło narastającego wydzielania ciepła. Podczas demonstracji akumulator wykorzystujący ten nowy rozpuszczalnik nagrzał się zaledwie o 3,5°C po przekłuciu gwoździem, co stanowi wyraźny kontrast w stosunku do wzrostu temperatury o 500°C obserwowanego w przypadku konwencjonalnych akumulatorów.
„Złym typem jest anion, który ma wysoką energię wiązania – i to zerwanie tych wiązań powoduje niekontrolowaną ucieczkę termiczną” – wyjaśnia Gary Leake z Uniwersytetu w Birmingham. „To nowe podejście izoluje przestępcę od procesu to duży krok naprzód w zakresie bezpieczeństwa akumulatorów”.
Wyniki i perspektywy na przyszłość
Zmodyfikowane akumulatory wykazały obiecującą wydajność. Testy wykazały, że zachowują 82 procent swojej pojemności po 4100 godzinach użytkowania, co czyni je konkurencyjnymi w stosunku do istniejących technologii. Eksperci przewidują, że ten innowacyjny rozpuszczalnik można zastosować w akumulatorach nowej generacji, torując drogę do masowej produkcji w ciągu trzech do pięciu lat. To osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku bezpieczniejszego i bardziej niezawodnego magazynowania energii w szerokim zakresie zastosowań. > Ta stosunkowo prosta zmiana materiałów może zrewolucjonizować bezpieczeństwo akumulatorów, minimalizując ryzyko pożarów i eksplozji w urządzeniach codziennego użytku i pojazdach elektrycznych.
