Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien versorgen Telefone, Laptops, andere persönliche Elektronik und Elektroautos mit Strom und werden sogar zum Speichern von Energie verwendet, die von Sonnenkollektoren erzeugt wird. Wenn die Temperatur dieser Batterien jedoch zu hoch ansteigt, funktionieren sie nicht mehr und können Feuer fangen.
Das liegt zum Teil daran, dass der darin enthaltene Elektrolyt, der beim Laden und Entladen der Batterie Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden befördert, brennbar ist.
„Eine der größten Herausforderungen in der Batterieindustrie ist dieses Sicherheitsproblem, daher werden große Anstrengungen unternommen, um einen sicheren Batterieelektrolyten herzustellen“, sagte Rachel Z Huang, Doktorandin an der Stanford University und Erstautorin von a Bericht veröffentlicht am 30. November in Angelegenheit.
Huang entwickelte zusammen mit 19 anderen Forschern am SLAC National Accelerator Laboratory des Department of Energy und der Stanford University einen nicht brennbaren Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien. Ihre Arbeit zeigte, dass Batterien, die diesen Elektrolyten enthalten, auch bei hohen Temperaturen weiter funktionieren, ohne ein Feuer auszulösen.
Ihr Geheimnis? Mehr Salz.
Salzige SICHERHEIT
Herkömmliche Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einem Lithiumsalz, das in einem flüssigen organischen Lösungsmittel wie Ether oder Carbonat gelöst ist. Während dieses Lösungsmittel die Batterieleistung verbessert, indem es hilft, Lithiumionen zu bewegen, ist es auch ein potenzieller Brandstifter.
Batterien erzeugen während des Betriebs Wärme. Und wenn eine Batterie Löcher oder Defekte aufweist, erwärmt sie sich schnell. Bei Temperaturen über 140 Grad F beginnen die kleinen Lösungsmittelmoleküle im Elektrolyten zu verdampfen, verwandeln sich von Flüssigkeit in Gas und blasen eine Batterie wie einen Ballon auf – bis das Gas Feuer fängt und das Ganze in Flammen aufgeht.
In den letzten 30 Jahren haben Forscher nicht brennbare Elektrolyte wie Polymerelektrolyte entwickelt, die anstelle der klassischen Salz-Lösungsmittel-Lösung eine Polymermatrix verwenden, um Ionen zu bewegen. Diese sichereren Alternativen bewegen Ionen jedoch nicht so effizient wie flüssige Lösungsmittel, sodass ihre Leistung nicht mit der herkömmlicher Elektrolyte mithalten kann
Rachel Huang arbeitet im Labor. (Jian-Cheng Lai/Stanford University)
Das Team wollte einen Elektrolyten auf Polymerbasis herstellen, der sowohl Sicherheit als auch Leistung bietet. Und Huang hatte eine Idee.
Sie beschloss, so viel wie möglich von einem Lithiumsalz namens LiFSI zu einem Elektrolyten auf Polymerbasis hinzuzufügen, der von Jian-Cheng Lai, einem Postdoktoranden an der Stanford University und Co-Erstautor der Veröffentlichung, entworfen und synthetisiert wurde.
„Ich wollte nur sehen, wie viel ich hinzufügen und das Limit testen kann“, sagte Huang. Üblicherweise sind weniger als 50 % des Gewichts eines Elektrolyten auf Polymerbasis Salz. Huang steigerte diese Zahl auf 63 % und schuf damit einen der salzigsten Elektrolyte auf Polymerbasis aller Zeiten.
Im Gegensatz zu anderen Elektrolyten auf Polymerbasis enthielt dieser auch brennbare Lösungsmittelmoleküle. Der Gesamtelektrolyt, bekannt als Solvent-Anchored Non-Flammable Electrolyte (SAFE), erwies sich jedoch bei Tests in einer Lithium-Ionen-Batterie als nicht brennbar bei hohen Temperaturen.
SAFE funktioniert, weil die Lösungsmittel und das Salz zusammenarbeiten. Die Lösungsmittelmoleküle helfen dabei, Ionen zu leiten, was zu einer Leistung führt, die mit der von Batterien vergleichbar ist, die herkömmliche Elektrolyte enthalten. Aber anstatt wie die meisten Lithium-Ionen-Batterien bei hohen Temperaturen zu versagen, funktionieren Batterien, die SAFE enthalten, weiterhin bei Temperaturen zwischen 77 und 212 Grad F.
Gleichzeitig wirken die reichlich zugesetzten Salze als Anker für die Lösungsmittelmoleküle und verhindern, dass sie verdampfen und Feuer fangen.
Standardbatteriematerialien (links) fangen Feuer, wenn sie Flammen ausgesetzt werden, ein neues Material, das von SLAC- und Stanford-Forschern (rechts) entwickelt wurde, jedoch nicht. (Jian-Cheng Lai/Stanford University)
„Diese neue Erkenntnis weist auf eine neue Denkweise für das Design von Elektrolyten auf Polymerbasis hin“, sagte Zhenan Bao, Professor an der Stanford University und Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), der Huang berät. „Dieser Elektrolyt ist wichtig für die Entwicklung zukünftiger Batterien mit hoher Energiedichte und Sicherheit.“
Klebrig bleiben
Elektrolyte auf Polymerbasis können fest oder flüssig sein. Wichtig ist, dass die Lösungsmittel und das Salz in SAFE seine Polymermatrix plastifizieren, um es zu einer klebrigen Flüssigkeit zu machen, genau wie herkömmliche Elektrolyte.
Ein Vorteil: Ein klebriger Elektrolyt passt in bestehende, im Handel erhältliche Lithium-Ionen-Batterieteile, im Gegensatz zu anderen nicht brennbaren Elektrolyten, die aufgetaucht sind. Festkörper-Keramikelektrolyte müssen zum Beispiel speziell entworfene Elektroden verwenden, was ihre Herstellung kostspielig macht.
„Mit SAFE ist es nicht erforderlich, die Fertigungseinrichtung zu ändern“, sagte Huang. „Wenn es jemals für die Produktion verwendet wird, sind natürlich Optimierungen erforderlich, damit der Elektrolyt in die Produktionslinie passt, aber der Arbeitsaufwand ist viel geringer als bei allen anderen Systemen.“
Yi Cui, Professor an SLAC und Stanford und SIMES-Forscher, der auch Huang berät, sagte: „Dieser sehr aufregende neue Batterieelektrolyt ist mit der bestehenden Lithium-Ionen-Batteriezellentechnologie kompatibel und würde große Auswirkungen auf die Unterhaltungselektronik und den elektrischen Transport haben. ”
Eine Anwendung von SAFE könnte in Elektroautos sein.
Wenn die mehreren Lithium-Ionen-Batterien in einem Elektroauto zu dicht beieinander sitzen, können sie sich gegenseitig erhitzen, was schließlich zu Überhitzung und Feuer führen kann. Wenn ein Elektroauto jedoch Batterien enthält, die mit einem bei hohen Temperaturen stabilen Elektrolyten wie SAFE gefüllt sind, können seine Batterien dicht aneinander gepackt werden, ohne dass eine Überhitzung befürchtet werden muss.
Neben der Verringerung des Brandrisikos bedeutet dies weniger Platzbedarf für Kühlsysteme und mehr Platz für Batterien. Mehr Batterien erhöhen die Gesamtenergiedichte, was bedeutet, dass das Auto länger zwischen den Ladevorgängen benötigt.
„Also ist es nicht nur ein Sicherheitsvorteil“, sagte Huang. „Dieser Elektrolyt könnte es Ihnen auch ermöglichen, viel mehr Batterien einzupacken.“
Die Zeit wird zeigen, welche anderen batteriebetriebenen Produkte ein wenig SAFE-er werden könnten.
Diese Forschung wurde vom DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy im Rahmen des Battery Materials Research Program und des Battery 500 Consortium finanziert.
Zitat: Huang et al., Matter, 30. November 2022 (10.1016/j.matt.2022.11.003)
Wenden Sie sich bei Fragen oder Kommentaren an das SLAC Office of Communications unter [email protected].
Von Chris Patrick, mit freundlicher Genehmigung von SLAC National Accelerator Laboratorybetrieben von der Stanford University für das US Department of Energy Office of Science.
Verwandte Geschichte: EV-Batterien werden immer besser und besser
Schätzen Sie die Originalität und Berichterstattung über CleanTechnica von CleanTechnica? Erwägen Sie, Mitglied, Unterstützer, Techniker oder Botschafter von CleanTechnica zu werden – oder Gönner auf Patreon.
Sie möchten keine Cleantech-Story verpassen? Melden Sie sich an für tägliche Nachrichten-Updates von CleanTechnica auf E-Mail. Oder Folgen Sie uns auf Google News!
Sie haben einen Tipp für CleanTechnica, möchten werben oder einen Gast für unseren CleanTech Talk Podcast vorschlagen? Kontaktieren Sie uns hier.