Een onderzoeksteam van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) stelde een nieuwe methode voor om het brandprobleem van lithium-ionbatterijen op te lossen. De sleutel tot het antwoord ligt wellicht in de temperatuurgevoelige stroomafnemer.

Amerikaanse wetenschappers stelden voor dat polymeerstroomcollectoren branden kunnen voorkomen en het brandgevaar van energieopslagbatterijen kunnen verbeteren

Wat gebeurt er als een spijker een lithium-ionbatterijcel doorboort? De onderzoekers die dit proces hebben waargenomen, beweren dat ze een op polymeer gebaseerde methode hebben ontwikkeld die de inherente brandrisico’s van lithium-ionbatterijen kan tegengaan.

Geleerden van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL), NASA (NASA), University College London, Didcot’s Faraday Institute, London’s National Physical Laboratory en France’s European Synchrotron, zullen de spijker in een cilindrische “18650-batterij” (18×65 mm in maat) die vaak wordt gebruikt in automobieltoepassingen. Onderzoekers proberen de mechanische belasting te reproduceren die batterijen van elektrische voertuigen (EV) moeten doorstaan ​​bij een crash.

De nagel veroorzaakt kortsluiting in de batterij, waardoor de temperatuur stijgt. Om in meer detail te bestuderen wat er in de batterij gebeurde toen de spijker de batterij binnendrong, gebruikten de onderzoekers een snelle röntgencamera om de gebeurtenis vast te leggen met 2000 frames per seconde.

Donal Finegan, een stafwetenschapper bij NREL, zei: “Als de batterij het begeeft, faalt deze zeer snel, zodat deze in een paar seconden van volledig intact kan worden opgeslokt door vlammen en volledig wordt vernietigd. De snelheid is erg snel, erg snel. Het is moeilijk te begrijpen wat er in deze twee seconden is gebeurd. Maar het is ook erg belangrijk om te begrijpen wat er is gebeurd, omdat het beheer van deze twee seconden een belangrijke factor is bij het verbeteren van de batterijveiligheid.”

Als dit niet wordt aangevinkt, is bewezen dat de temperatuurstijging van de batterij veroorzaakt door thermal runaway hoger is dan 800 graden Celsius.

De batterijcellen bevatten stroomafnemers van aluminium en koper. Het onderzoeksteam gebruikte met aluminium gecoate polymeren om dezelfde rol te spelen en merkte op dat hun stroomcollectoren bij hoge temperaturen krimpen, waardoor de stroom onmiddellijk werd gestopt. De kortsluitingswarmte zorgt ervoor dat het polymeer krimpt en de reactie vormt een fysieke barrière tussen de nagel en de negatieve elektrode, waardoor de kortsluiting wordt gestopt.

Tijdens het experiment zullen alle batterijen zonder polymeerstroomafnemer ontvlammen als de nagel wordt doorboord. Daarentegen vertoonde geen van de met polymeer geladen batterijen dit gedrag.

Finegan zei: “Het catastrofale falen van de batterij is zeer zeldzaam, maar wanneer dit gebeurt, kan het veel schade aanrichten. Het is niet alleen voor de veiligheid en gezondheid van het betreffende personeel, maar ook voor een bedrijf.”

Amerikaanse wetenschappers stelden voor dat polymeerstroomcollectoren branden kunnen voorkomen en het brandgevaar van energieopslagbatterijen kunnen verbeteren

Gezien het bedrijf dat batterijcellen integreert, wees NREL op zijn database met batterijstoringen, die honderden radiologische video- en temperatuurgegevenspunten bevat van honderden lithium-ionbatterijmisbruiktests.

Finegan zei: “Kleine fabrikanten hebben niet altijd de tijd en middelen om batterijen op zo’n rigoureuze manier te testen als in de afgelopen vijf tot zes jaar.”

Russische onderzoekers hebben onlangs ook het idee ontwikkeld om polymeren te gebruiken om batterijbranden te voorkomen. Professor Oleg Levin van de afdeling Elektrochemie van de Universiteit van St. Petersburg en zijn collega’s ontwikkelden een methode om polymeren te gebruiken en vroegen een patent aan. De geleidbaarheid van dit polymeer verandert met veranderingen in warmte of spanning. Het team noemde deze methode “chemische ontsteker”.

Volgens de microlithiumbatterijgroep is dit polymeer van Russische wetenschappers op dit moment alleen geschikt voor lithiumijzerfosfaat (LFP) batterijen, omdat verschillende kathodecomponenten op verschillende spanningsniveaus werken. Voor LFP-batterijen is dit 3.2 V. NMC-kathodes (nikkel-mangaan-kobalt) van concurrenten hebben een bedrijfsspanning tussen 3.7 V en 4.2 V, afhankelijk van het type NMC-batterij.