A research team from the National Renewable Energy Laboratory (NREL) proposed a new method to solve the fire problem of lithium-ion batteries. The key to the answer may lie in the temperature-sensitive current collector.

American scholars proposed that polymer current collectors can prevent fires and improve energy storage battery fire hazards

What happens when a nail pierces a lithium-ion battery cell? The researchers who observed this process claim that they have developed a polymer-based method that can counter the inherent fire hazards associated with lithium-ion batteries.

Učenci z americké Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje energie (NREL), NASA (NASA), University College London, Didcotova Faradayova institutu, londýnské Národní fyzikální laboratoře a francouzského Evropského synchrotronu budou hřebík zaražen do válcové „baterie 18650“ (18×65 mm v velikost) běžně používané v automobilových aplikacích. Výzkumníci se snaží reprodukovat mechanické namáhání, které musí baterie elektrických vozidel (EV) vydržet při nehodě.

Hřebík spustí zkrat uvnitř baterie, což způsobí zvýšení její teploty. Aby vědci mohli podrobněji studovat, co se stalo uvnitř baterie, když hřebík pronikl do baterie, použili vysokorychlostní rentgenovou kameru k zachycení události rychlostí 2000 snímků za sekundu.

Donal Finegan, vědecký pracovník NREL, řekl: „Když baterie selže, selže velmi rychle, takže se může stát, že ji zcela neporuší pohltí plameny a během několika sekund ji zcela zničí. Rychlost je velmi rychlá, velmi rychlá. Je těžké pochopit, co se během těchto dvou sekund stalo. Je ale také velmi důležité porozumět tomu, co se stalo, protože zvládnutí těchto dvou sekund je důležitým faktorem pro zlepšení bezpečnosti baterie.“

Pokud není zaškrtnuto, bylo prokázáno, že zvýšení teploty baterie způsobené tepelným únikem přesahuje 800 stupňů Celsia.

The battery cells contain current collectors of aluminum and copper. The research team used aluminum-coated polymers to play the same role and observed that their current collectors shrink at high temperatures, immediately arresting the flow of current. The short-circuit heat causes the polymer to shrink, and the reaction forms a physical barrier between the nail and the negative electrode, stopping the short-circuit.

Během experimentu všechny baterie bez polymerového sběrače proudu vybuchnou, pokud je hřebík propíchnut. Naproti tomu žádná z baterií naplněných polymerem nevykazovala toto chování.

Finegan said: “The catastrophic failure of the battery is very rare, but when this happens, it can cause a lot of damage. It is not only for the safety and health of the relevant personnel, but also for a company.”

American scholars proposed that polymer current collectors can prevent fires and improve energy storage battery fire hazards

Considering the company that is integrating battery cells, NREL pointed to its battery failure database, which contains hundreds of radiological video and temperature data points from hundreds of lithium-ion battery abuse tests.

Finegan řekl: “Malí výrobci nemají vždy čas a zdroje na testování baterií tak přísným způsobem, jako jsme měli v posledních pěti až šesti letech.”

Ruští vědci také nedávno vyvinuli myšlenku použití polymerů k prevenci požárů baterií. Profesor Oleg Levin z katedry elektrochemie Petrohradské univerzity a jeho kolegové vyvinuli metodu využití polymerů a požádali o patent. Vodivost tohoto polymeru se mění se změnami tepla nebo napětí. Tým nazval tuto metodu „chemical fuze“.

Podle skupiny mikrolithiových baterií je v současnosti tento polymer ruských vědců vhodný pouze pro lithium-železofosfátové (LFP) baterie, protože různé katodové komponenty pracují na různých úrovních napětí. U LFP baterií je to 3.2V. Konkurenční nikl-mangan-kobaltové (NMC) katody mají provozní napětí mezi 3.7 V a 4.2 V, v závislosti na typu NMC baterie.