Zmiana tylko jednego z materiałów używanych w bateriach litowo-jonowych mogłaby zapobiec niekontrolowanym pożarom, które wybuchają, gdy zostaną przekłute lub zgięte, a masowa produkcja tych bezpieczniejszych baterii mogłaby ruszyć w ciągu najbliższych kilku lat.
Baterie litowo-jonowe używane w smartfonach, laptopach i samochodach elektrycznych mają elektrodę grafitową, elektrodę z tlenku metalu i elektrolit z rozpuszczoną sólą litową w rozpuszczalniku. Płynny elektrolit pozwala jonów przepływać w jednym kierunku, aby naładować baterię i w drugim, aby zwolnić energię i zasilać urządzenia.
Ale jeśli ten projekt zostanie przekłuty w taki sposób, że powstanie zwarcie, cała energia chemiczna uwięziona wewnątrz zostanie uwolniona gwałtownie, co może wywołać pożar lub nawet eksplozję.
Eksploratorzy opracowali alternatywne projekty baterii, aby zapobiec takim pożarom, wykorzystując żelochronne i nawet stałe zamienniki płynnego elektrolitu. Teraz Yue Sun z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu i jej koledzy stworzyli bezpieczny projekt, który może być zbudowany dokładnie jak istniejące baterie, dzięki zmianie materiału elektrolitu.
Pożary występują, gdy ujemnie naładowane jony, zwane anionami, łamią swoje wiązania z litem w baterii. W miarę jak wiązania pękają, uwalniają więcej ciepła i podtrzymują niszczący cykl w procesie zwanym termicznym ucieczką.
Aby temu zapobiec, badacze stworzyli drugi rozpuszczalnik o nazwie litowy bis(flurosolewinian), który łączy się z litem z istniejącego rozpuszczalnika tylko w wyższych temperaturach, gdy zaczyna się termiczna ucieczka. W przeciwieństwie do zwykłego rozpuszczalnika, wiązania anionów nie mogą istnieć w tym nowym materiale, dlatego nie generuje on złośliwego cyklu uwalniania ciepła. Po przekłuciu gwoździem, temperatura wewnątrz baterii wzrosła zaledwie o 3,5°C, podczas gdy konwencjonalne baterie mogą się nagrzać o ponad 500°C.
„Złym chłopcem jest anion, który ma dużo energii wiązania – to właśnie pękające te wiązania powodują termiczną ucieczkę” mówi Gary Leeke z Uniwersytetu w Birmingham, Wielka Brytania. „Izoluje się go od tego procesu. To duży krok w kierunku bezpieczeństwa baterii”.
W testach, baterie używające nowego rozpuszczalnika zachowały 82 procent swojej pojemności przez 4100 godzin użytkowania, co oznacza, że mogą konkurować z obecną technologią.
Leeke dodaje, że wyniki te można by włączyć do następnej generacji baterii, a następnie masowo produkować w ciągu trzech do pięciu lat.
