Brandveilig lithium-ion batterijontwerp overleeft nagelperforatie en voorkomt thermische runaway
Traditionele lithium-ion batterijen, die een groot aantal elektronische apparaten van auto's tot smartwatches van stroom voorzien, vormen een aanzienlijk brandrisico. Wanneer ze beschadigd, overladen of defect zijn, kunnen ze een thermische runaway ondergaan - een gevaarlijke gebeurtenis waarbij interne onderdelen afbreken en extreme hitte vrijkomen. In een typische batterij kan dit de temperatuur met meer dan 500 °C doen stijgen, wat tot brand en explosies kan leiden.
Nu heeft een team van onderzoekers in China, voornamelijk van de Chinese Universiteit van Hong Kong, een nieuw batterijontwerp ontwikkeld dat dit risico beperkt. In een studie - gepubliceerd in het tijdschrift Nature - geeft het team een gedetailleerd overzicht van het nieuwe ontwerp en de testresultaten. Bij het doorboren van een spijker steeg de temperatuur van de lithium-ion batterij met dit ontwerp met ongeveer 3,5 °C en bleef deze stabiel. De batterij met conventionele elektrolyten vertoonde een temperatuurpiek van 555,2 °C, een explosie en brand.
Het team kon deze doorbraak pas maken nadat het de boosdoener had geïdentificeerd - ionenassociatie. In conventionele accu's is de manier waarop lithiumionen en negatieve ionen zich groeperen in de elektrolyt goed voor de vorming van een beschermende laag die de vaste elektrolyt interfase (SEI) wordt genoemd, wat van vitaal belang is voor een lange levensduur. De onderzoekers ontdekten echter dat deze associatie van ionen ook de temperatuur verlaagt waarbij thermische runaway begint met ongeveer 94 °C, waardoor de batterij veel minder veilig wordt.
Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde het team een zogenaamde "solvent-relay strategie" Ze ontwikkelden een nieuwe elektrolyt die zich bij verschillende temperaturen anders gedraagt. Bij kamertemperatuur bevordert het de ionenassociatie die nodig is voor een goede SEI-vorming. Maar bij hogere temperaturen - zoals bij beschadiging - treedt een specifiek oplosmiddel genaamd lithiumbis(fluorsulfonyl)imide in werking, dat zich aan het lithium bindt en de ionendissociatie bevordert. Deze actie remt de gevaarlijke anionbindingen die anders tot warmteafgifte zouden leiden.
Het ontwerp bleek zowel veilig als duurzaam te zijn. De cellen die met deze nieuwe strategie zijn ontworpen, hebben ook een uitzonderlijke levensduur, waarbij ze na 1000 cycli ongeveer 81,9% van hun capaciteit behouden.
Bron(nen)
