211service.com
Lithium-ionbatterijen die niet ontploffen
Een nieuw polymeermateriaal zou het soort batterij-explosies kunnen voorkomen dat vorig jaar leidde tot de massale terugroepacties van lithium-ion-laptopbatterijen. (Zie Veiligere lithium-ionbatterijen.) Door dergelijke batterijen veiliger te maken, kan het nieuwe materiaal de weg vrijmaken voor het wijdverbreide gebruik van lithium-ionbatterijen in hybride en elektrische voertuigen.
Batterij bespaarder: Stroken van deze dunne witte film zouden de sleutel kunnen zijn tot het voorkomen van batterijbranden van het soort dat vorig jaar tot het terugroepen van miljoenen batterijen dwong. Het materiaal, dat de elektroden in een batterij scheidt, verandert van structuur om oververhitting te voorkomen.
Lithium-ionbatterijen worden gebruikt in laptops omdat ze klein en licht zijn in vergelijking met de alternatieven. In auto's zouden ze de nikkel-metaalhydridebatterijen die nu in hybrides worden gebruikt kunnen vervangen, wat ruimte bespaart en het brandstofverbruik verbetert door het gewicht te verminderen. Maar tot nu toe zijn ze niet op grote schaal gebruikt in auto's, deels vanwege bezorgdheid over de veiligheid. (Zie Zijn lithium-ion elektrische auto's veilig? )
De batterijen kunnen exploderen en in brand vliegen als ze oververhit raken - als gevolg van overladen of doordat de elektroden in de batterij in contact komen, waardoor een elektrische kortsluiting ontstaat. Hoewel een laptopbrand gevaarlijk kan zijn, bevatten batterijen voor dergelijke apparaten slechts een paar cellen. Een brand veroorzaakt door duizenden cellen in een accupakket voor auto's kan veel erger zijn.
Vorig jaar werden miljoenen laptops teruggeroepen door grote bedrijven als Apple en Dell omdat metaaldeeltjes tijdens de productie per ongeluk in batterijcellen werden verwerkt. In zeldzame gevallen kunnen deze deeltjes een plastic vel binnendringen dat een separator wordt genoemd en dat normaal gesproken voorkomt dat de positieve en negatieve elektroden in een cel elkaar raken. Bij zo'n gebeurtenis kan warmte ontstaan, waardoor de afscheider verder kapot kan gaan, met als gevolg meer kortsluiting en meer verhitting. Bij voldoende hoge temperaturen vallen de elektrodematerialen uiteen, waardoor zuurstof vrijkomt en dit leidt tot een snellere verwarming en uiteindelijk tot een explosie en brand.
Onderzoekers bij Tonen Chemical , een filiaal van ExxonMobil Chemical gevestigd in Tokio, Japan, hebben een nieuwe separator ontwikkeld die een actieve rol speelt bij het voorkomen van oververhitting van batterijen. Het materiaal zou het mogelijk kunnen maken om de reacties te vertragen, waardoor de batterij kan afkoelen in plaats van in brand te vliegen, zegt Peter Roth , programmamanager voor geavanceerde technologieontwikkeling bij Sandia Nationale Laboratoria , in Albuquerque, NM. Sandia test nu de veiligheidskenmerken van de nieuwe afscheider.
Scheiders zijn elektrisch isolerende materialen die zijn ontworpen om poriën te hebben waardoor lithiumionen heen en weer kunnen pendelen tussen de elektroden van een batterij terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen. Een nieuwe generatie afscheiders is ontworpen om zacht te worden wanneer ze een bepaalde temperatuur bereiken, ongeveer 130 ºC. Dat sluit de poriën, waardoor de stroom wordt afgesloten. In sommige gevallen zal dit de oververhitting stoppen. Maar als de temperatuur in de cel blijft stijgen, smelten deze materialen volledig, breken ze af en veroorzaken ze enorme elektrische kortsluitingen die de opwarming kunnen versnellen. Als de cel een temperatuur van 180 C bereikt, kunnen de elektrodematerialen ontleden, waarbij zuurstof vrijkomt waardoor de elektrolyt van de batterij vlam kan vatten en de batterij kan exploderen.
In tegenstelling tot deze separatoren, die bij iets boven de 150 ºC al kapot gaan, blijft het nieuwe Tonen-materiaal tot 190 ºC intact. Door massale elektrische kortsluiting te voorkomen, zou de nieuwe separator de versnelde verwarming kunnen voorkomen die tot explosies leidt, zegt Roth.
De prestatie van de separator is te danken aan het feit dat hij meer dan één polymeer bevat: een die zacht wordt bij 130 ºC om de stroom uit te schakelen, en een andere om de separator intact te houden om kortsluiting te voorkomen. Omdat het materiaal kan worden gemaakt door bestaande productieapparatuur aan te passen, zou het snel in grote hoeveelheden beschikbaar kunnen zijn, aldus Koichi Kono, de R&D-manager van Tonen. Commercieel zijn we er klaar voor, zegt hij.
Andere bedrijven hebben alternatieve benaderingen ontwikkeld om lithium-ionbatterijen veiliger te maken, waaronder het gebruik van verschillende elektrodematerialen of niet-ontvlambare elektrolyten, of het toevoegen van een dunne laag keramisch materiaal om de elektroden gescheiden te houden. Hoewel de keramiek zeer hoge temperaturen kan overleven, blijven er vragen bestaan over hoe goed ze kunnen worden verwerkt in productieprocessen en of ze te duur zullen zijn, zegt Roth. Het doel is om batterijen te hebben die gracieus falen in plaats van explosief.