Kendi ateşini söndürebilen batarya: Bilim insanları yeni bir tasarım geliştirdi

Araştırmacılar, alevleri bastırmak için kullanılan uygun fiyatlı ticari soğutucuları akü elektrolitleri olarak çalışacak şekilde değiştirdiler.

Bilim insanları, aşırı ısınma nedeniyle oluşabilecek yangın ve patlamaları önleyebilecek, kendi kendine sönebilen şarj edilebilir pil için yeni bir tasarım geliştirdi.

Nature Sustainability’de yayınlanan ve Conversation tarafından rapor edilen çalışma, yüksek derecede yanıcı elektroliti (elektrik yükünün pil terminalleri arasında akmasına izin veren bir madde) ticari bir yangın söndürücüde bulunan malzemelerle nasıl değiştirdiklerini anlatıyor.

Geleneksel elektrolit, hem yanıcı hem de termal kaçmaya eğilimli bir lityum tuzu ve organik bir çözücüden oluşur; bu, yangına veya patlamaya yol açabilecek ısı üretimi ve kimyasal ayrışmanın zincirleme reaksiyonudur.

Araştırmacılar, alevleri bastırmak için kullanılan uygun fiyatlı ticari soğutucuları akü elektrolitleri olarak çalışacak şekilde değiştirdiler. Elektrolitleri yanıcı değildi, ısıya dayanıklıydı ve tüm pil kimyalarıyla uyumluydu.

Güvenlik testleri

Araştırmacılar pillerini laboratuvarda çeşitli koşullar altında test ettiler. Elektrolitleri yaklaşık eksi 75 ila 80 santigrat derece arasındaki geniş bir sıcaklık aralığında iyi çalıştı. Ayrıca pillerin ısıyı pilden uzaklaştırdığını ve dahili yangınları etkili bir şekilde söndürdüğünü de buldular.

Pillerini, lityum iyon pil güvenliğini değerlendirmek için yaygın bir yöntem olan çivi delme testine tabi tuttular. Paslanmaz çelik çivinin şarjlı bir aküye çakılması, yangına veya patlamaya neden olabilecek dahili bir kısa devreyi simüle eder. Şarjlı akü darbe sonucu alev almadı.

Avantajlar ve zorluklar

Araştırmacılar, tasarımlarının lityum iyon pilleri daha güvenli hale getirme potansiyeline sahip olduğunu ve aşırı ısınma ve termal kaçak riskini azaltacak uzun vadeli iyileştirmeler için zaman kazanabileceklerini söyledi. Lityum-iyon piller elektronik ve elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılıyor ancak çeşitli güvenlik sorunları var.

Örneğin, pilin içindeki elektrik yükü akışına karşı olan iç direnç nedeniyle şarj ve deşarj olurken sıcaklıkları değişir.

Pilin güvenliği ve dayanıklılığı, yüksek dış ortam sıcaklıkları veya pil takımı içindeki eşit olmayan sıcaklıklar nedeniyle ciddi şekilde tehlikeye girebilir.

Lityum iyon pillerle ilgili güvenlik sorunlarından biri, pillerin çok hızlı şarj edilmesinin pilin anotunda dendritlerin (keskin lityum iğneleri) oluşmasına yol açabilmesidir. Bu iğneler ayırıcıyı delerek karşı elektrota ulaşarak pilin kısa devre yapmasına ve dahili olarak aşırı ısınmasına neden olabilir.

Araştırmacılar, ısıyı pil takımından kolayca aktarabilecek, geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilecek, çok dayanıklı ve her türlü pil kimyasıyla uyumlu, yanıcı olmayan bir elektrolit geliştirmek istediklerini söyledi. Ancak aynı zamanda bazı zorluklarla da karşılaştılar. Örneğin, bilinen yanıcı olmayan organik çözücülerin çoğu, çevreye zarar verebilecek pahalı flor ve fosfor içerir. Elektrolitleri için daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli alternatifleri keşfetmeye devam edeceklerini söylediler.

Çalışma özeti:
Özellikle yanıcı organik moleküllerin hala elektrolit formülasyonunda hakim olduğu göz önüne alındığında, pilin sürdürülebilirliği açısından güvenlik çok önemlidir. Tek bir elektrolit kimyası için güvenliğini artırmak genellikle maliyet ve pilin elektrokimyasal performansı pahasına olur. Burada, hem potasyum iyon hem de lityum iyon pillerde alev geciktirme, maliyet avantajı ve mükemmel çevrim performansı ile bu dengeyi bozan bir elektrolit gösteriyoruz. Akılcı tasarımımız, piyasada sırasıyla Novec 7300 soğutma sıvısı ve Daikin-T5216 olarak bilinen florlu bir sıvı ve polar olmayan bir solvent ekleyerek yaygın olarak kullanılan bir glis çözücünün yanıcılığını dizginlemektir. Mükemmel kimyasal ve termal stabiliteye sahip formüle edilmiş elektrolitin yanıcı olmadığı kanıtlanmıştır ve −75 ila 80 °C gibi geniş bir çalışma sıcaklığı aralığında çalışır. Potasyum metal pillerle birleştirildiğinde, K||K hücresi >12 ay boyunca döngüyü sürdürür ve K||grafit hücresi, 2.400 döngüden sonra başlangıç kapasitesinin %93’ünü korur. Zorlu koşullar altında (N/P = 1,08, E/C = 3,0 g Ah−1) bir 18650 Li-iyon hücrede bile, 200 defadan fazla çevrim sonrasında kapasite tutma oranı %96,7 kadar yüksektir. Düşük maliyetin yanı sıra mevcut formülasyon, pillerin sürdürülebilirliği için önemli olan neredeyse tüm faktörlerin iyi dengelenebileceği elektrolit tasarımında yeni bir alan önermektedir.

Editör: David KAYA – 08.02.2024