يطور الباحثون إلكتروليتًا غير قابل للاشتعال لمنع الهروب الحراري في بطاريات الليثيوم.. بطاريات عالية الأداء

مع توسع استخدام بطاريات الليثيوم أيون متوسطة وكبيرة الحجم في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة (ESS) ، تتزايد المخاوف بشأن الحرائق والانفجارات.

تحدث الحرائق في البطاريات عند قصر دائرة البطاريات بسبب تأثيرات خارجية أو سوء استخدام أو تقادم، وظاهرة الهروب الحراري المصحوبة بتفاعلات طاردة للحرارة متسلسلة تجعل من الصعب إطفاء الحريق وتشكل خطرًا كبيرًا للإصابة الشخصية.

على وجه الخصوص، فإن الكربونات العضوية الخطية المستخدمة في الإلكتروليتات التجارية لبطاريات الليثيوم أيون لها نقطة وميض منخفضة ويمكن أن تشتعل بسهولة حتى في درجة حرارة الغرفة .

فريق بحث تعاوني، طور إلكتروليتًا غير قابل للاشتعال لا يشتعل في درجة حرارة الغرفة عن طريق تكييف التركيب الجزيئي للكربونات العضوية الخطية، لمنع الحريق والهروب الحراري في بطاريات أيونات الليثيوم .

حتى الآن، من أجل تقليل قابلية الإلكتروليت للاشتعال، تم اعتماد الفلورة المكثفة في جزيئات المذيبات أو الأملاح عالية التركيز على نطاق واسع.

نتيجة لذلك، تم تقليل نقل أيونات الليثيوم في الإلكتروليت في تلك التي كانت غير متوافقة مع الأقطاب الكهربائية التجارية، مما حد من تسويقها.

إلكتروليت جديد، ثنائي

من خلال تطبيق تمديد سلسلة الألكيل واستبدال ألكوكسي في وقت واحد على جزيء كربونات ثنائي إيثيل (DEC) ، وهو كربونات عضوية خطية نموذجية تستخدم في إلكتروليتات بطارية الليثيوم أيون التجارية، طور الباحثون بقيادة الدكتورة ميناه لي، من مركز أبحاث تخزين الطاقة، والبروفيسور دونج هوا سيو من KAIST ، ويونج جين كيم وجايون بايك، من المعهد الكوري للتكنولوجيا الصناعية (KITECH) ، إلكتروليت جديد، ثنائي (2 ميثوكسي إيثيل) كربونات (BMEC) ، مع تعزيز نقطة الوميض والتوصيل الأيوني عن طريق زيادة التفاعلات بين الجزيئات والقدرة على الذوبان.

غير قابل للاشتعال

يحتوي محلول BMEC على نقطة وميض تبلغ 121 درجة مئوية، وهي أعلى بمقدار 90 درجة مئوية من محلول DEC التقليدي، وبالتالي فهو غير قابل للاشتعال في نطاق درجة الحرارة للتشغيل التقليدي للبطارية.

يمكن لـ BMEC فصل ملح الليثيوم أقوى من نظيره البسيط المؤلكل، كربونات ثنائي بيوتيل (DBC) ، مما يحل مشكلة النقل البطيء لأيون الليثيوم عند تقليل القابلية للاشتعال عن طريق زيادة التفاعل بين الجزيئات.

نتيجة لذلك، فإنه يحتفظ بأكثر من 92٪ من قدرة المعدل الأصلي للإلكتروليت التقليدي مع تقليل مخاطر الحريق بشكل كبير، بالإضافة إلى ذلك، خفف المنحل بالكهرباء الجديد 37٪ من تطور الغاز القابل للاحتراق و62% من توليد الحرارة مقارنة بالإلكتروليت التقليدي.

فريق البحث التشغيل المستقر لبطاريات الليثيوم أيون 1Ah على مدى 500 دورة من خلال الجمع بين المنحل بالكهرباء الجديد مع الكاثود العالي من النيكل وأنود الجرافيت.

كما أجروا اختبارًا لاختراق المسامير على بطارية Li-ion مشحونة بنسبة 70% بقوة 4 أمبير في الساعة وأكدوا الهروب الحراري المكبوت.

نشر البحث في مجلة Energy & Environmental Science .

توفر اتجاهًا جديدًا لتصميم إلكتروليتات

وقالت الدكتورة ميناه لي، من معهد كيست، إن نتائج هذا البحث توفر اتجاهًا جديدًا لتصميم إلكتروليتات غير قابلة للاشتعال، والتي تم التضحية بها حتمًا بالممتلكات الكهروكيميائية أو الجدوى الاقتصادية.

وتضيف “يتميز الإلكتروليت المطور غير القابل للاشتعال بتكلفة تنافسية وتوافق ممتاز مع مواد الإلكترود عالية الكثافة للطاقة، لذلك من المتوقع أن يتم تطبيقه على البنية التحتية لتصنيع البطاريات التقليدية، وفي النهاية، سوف يسرع من ظهور بطاريات عالية الأداء مع استقرار حراري ممتاز”.

صرح الدكتور Jayeon Baek من KITECH ، “يمكن تصنيع حل BMEC الذي تم تطويره في هذا البحث عن طريق الأسترة التبادلية باستخدام محفزات منخفضة التكلفة وتوسيع نطاقها بسهولة، في المستقبل، سنطور طريقة التوليف باستخدام غاز C1 CO أو CO 2 لتعزيز صداقتها للبيئة بشكل أكبر. “