211service.com
Litiumjonbatterier som inte exploderar
Ett nytt polymermaterial kan förhindra den typ av batteriexplosioner som ledde till förra årets massiva återkallelser av litiumjonbatterier för bärbara datorer. (Se Säkrare litiumjonbatterier.) Genom att göra sådana batterier säkrare kan det nya materialet bidra till att bana väg för den utbredda användningen av litiumjonbatterier i hybrid- och elfordon.
Batterisparare: Remsor av denna tunna vita film kan vara nyckeln till att förhindra batteribränder av det slag som tvingade tillbaka miljontals batterier förra året. Materialet, som separerar elektroder inuti ett batteri, ändrar struktur för att förhindra överhettning.
Litiumjonbatterier används i bärbara datorer eftersom de är små och lätta jämfört med alternativen. I bilar kunde de ersätta nickelmetallhydridbatterierna som används i hybrider nu, vilket sparar utrymme och förbättrar bränsleekonomin genom att minska vikten. Men hittills har de inte använts i stor utsträckning i bilar, delvis på grund av säkerhetsproblem. (Se Är litiumjonelbilar säkra?)
Batterierna kan explodera och brinna i lågor när de överhettas – ett resultat av överladdning eller av att elektroderna inuti batteriet kommer i kontakt, vilket orsakar en elektrisk kortslutning. Även om en brand i en bärbar dator kan vara farlig, involverar batterier för sådana enheter bara ett fåtal celler. En brand orsakad av tusentals celler i ett batteripaket för bilar kan vara mycket värre.
Förra året återkallades miljontals bärbara datorer av så stora företag som Apple och Dell eftersom metallpartiklar av misstag införlivades i battericeller under tillverkningen. I sällsynta fall kan dessa partiklar penetrera ett plastark som kallas en separator som vanligtvis förhindrar att de positiva och negativa elektroderna i en cell berörs. En sådan händelse kan generera värme, vilket kan göra att separatorn går sönder ytterligare, vilket resulterar i mer kortslutning och mer uppvärmning. Vid tillräckligt höga temperaturer sönderdelas elektrodmaterialen, frigör syre och leder till snabbare uppvärmning och, i slutändan, en explosion och brand.
Forskare vid Visa kemikalie , ett dotterbolag till ExxonMobil Chemical baserade i Tokyo, Japan, har utvecklat en ny separator som spelar en aktiv roll för att förhindra att batterier överhettas. Materialet kan göra det möjligt att bromsa reaktionerna, vilket låter batteriet svalna istället för att brinna i lågor, säger Peter Roth , programledare för avancerad teknikutveckling på Sandia National Laboratories , i Albuquerque, NM. Sandia testar nu säkerhetsfunktionerna i den nya separatorn.
Separatorer är elektriskt isolerande material som har konstruerats för att ha porer som tillåter litiumjoner att pendla fram och tillbaka mellan ett batteris elektroder medan batteriet laddas och laddas ur. En ny generation av separatorer är designade för att mjukna när de når en viss temperatur, cirka 130 ºC. Det stänger porerna och stänger av strömflödet. I vissa fall kommer detta att stoppa överhettningen. Men om temperaturen fortsätter att stiga i cellen smälter dessa material helt, bryts ner och orsakar massiva elektriska kortslutningar som kan påskynda uppvärmningen. Om cellen toppar 180 ºC kan elektrodmaterialen sönderdelas och frigöra syre som gör att batteriets elektrolyt kan fatta eld och batteriet explodera.
Till skillnad från dessa separatorer, som går sönder vid lite över 150 ºC, förblir det nya Tonen-materialet intakt upp till 190 ºC. Genom att förhindra massiv elektrisk kortslutning kan den nya separatorn förhindra den accelererade uppvärmningen som leder till explosioner, säger Roth.
Separatorns prestanda beror på det faktum att den innehåller mer än en polymer: en som mjuknar vid 130 ºC för att stänga av strömmen och en annan för att hålla separatorn intakt för att förhindra kortslutning. Eftersom materialet kan tillverkas genom att modifiera befintlig tillverkningsutrustning kan det snabbt bli tillgängligt i stora mängder, enligt Koichi Kono, Tonens FoU-chef. Kommersiellt är vi redo, säger han.
Andra företag har utvecklat alternativa metoder för att göra litiumjonbatterier säkrare, inklusive att använda olika elektrodmaterial eller icke brännbara elektrolyter, eller lägga till ett tunt lager av keramiskt material för att hålla elektroderna åtskilda. Även om keramiken kan överleva mycket höga temperaturer kvarstår frågor om hur väl de kan införlivas i tillverkningsprocesser och om de kommer att bli för dyra, säger Roth. Målet är att ha batterier som misslyckas graciöst snarare än explosivt.