Las baterías autoextinguibles podrían reducir el riesgo de incendios costosos y mortales en las baterías

En un estudio recientemente publicado, describimos nuestro diseño para una batería recargable autoextinguible. Reemplaza el electrolito más comúnmente utilizado, que es altamente combustible (un medio compuesto por una sal de litio y un solvente orgánico) con materiales que se encuentran en un extintor de incendios comercial.

Un electrolito permite que los iones de litio que transportan una carga eléctrica se muevan a través de un separador entre los terminales positivo y negativo de una batería de iones de litio. Al modificar refrigerantes comerciales asequibles para que funcionen como electrolitos de batería, pudimos producir una batería que apaga su propio fuego.

Nuestro electrolito funcionó bien en un amplio rango de temperaturas, desde aproximadamente -100 a 175 grados Fahrenheit. Las baterías que produjimos en el laboratorio con este electrolito transfirieron muy bien el calor de la batería y extinguieron los incendios internos de manera efectiva.

Sometimos estas baterías a la prueba de penetración de clavos, un método común para evaluar la seguridad de las baterías de iones de litio. Pasar un clavo de acero inoxidable a través de una batería cargada simula un cortocircuito interno; Si la batería se incendia, no pasa la prueba. Cuando clavamos un clavo en nuestras baterías cargadas, resistieron el impacto sin prenderse fuego.

Por qué es importante

Por naturaleza, la temperatura de una batería cambia a medida que se carga y descarga, debido a la resistencia interna (oposición dentro de la batería al flujo de iones de litio). Las altas temperaturas exteriores o las temperaturas desiguales dentro de un paquete de baterías amenazan seriamente la seguridad y durabilidad de las baterías.

Las baterías de gran densidad energética, como las versiones de iones de litio que se utilizan ampliamente en electrónica y vehículos eléctricos, contienen una formulación de electrolitos dominada por moléculas orgánicas que son altamente inflamables. Esto empeora el riesgo de fuga térmica, un proceso incontrolable en el que el exceso de calor dentro de una batería acelera reacciones químicas no deseadas que liberan más calor y desencadenan más reacciones. La temperatura dentro de la batería puede aumentar cientos de grados en un segundo, provocando un incendio o una explosión.

Otro problema de seguridad surge cuando las baterías de iones de litio se cargan demasiado rápido. Esto puede provocar reacciones químicas que producen agujas de litio muy afiladas llamadas dendritas en el ánodo de la batería, el electrodo con carga negativa. Finalmente, las agujas penetran el separador y alcanzan el otro electrodo, provocando un cortocircuito interno en la batería y provocando un sobrecalentamiento.

Como científicos que estudiamos la generación, el almacenamiento y la conversión de energía, tenemos un gran interés en desarrollar baterías seguras y densas en energía. Reemplazar los electrolitos inflamables con un electrolito retardante de llama tiene el potencial de hacer que las baterías de iones de litio sean más seguras y puede ganar tiempo para mejoras a largo plazo que reduzcan los riesgos inherentes de sobrecalentamiento y fuga térmica.

Cómo hicimos nuestro trabajo

Queríamos desarrollar un electrolito que no fuera inflamable, que transfiriera fácilmente el calor del paquete de baterías, que pudiera funcionar en un amplio rango de temperaturas, que fuera muy duradero y que fuera compatible con cualquier química de la batería. Sin embargo, la mayoría de los disolventes orgánicos no inflamables conocidos contienen flúor y fósforo, que son caros y pueden tener efectos nocivos para el medio ambiente.

En cambio, nos centramos en adaptar refrigerantes comerciales asequibles que ya se usaban ampliamente en extintores de incendios, pruebas electrónicas y aplicaciones de limpieza, para que pudieran funcionar como electrolitos de baterías.

Nos centramos en un fluido comercial maduro, seguro y asequible llamado Novec 7300, que tiene baja toxicidad, no es inflamable y no contribuye al calentamiento global. Al combinar este fluido con varios otros químicos que agregaron durabilidad, pudimos producir un electrolito que tenía las características que buscábamos y permitiría que una batería se cargara y descargara durante un año completo sin perder una capacidad significativa.

Lo que aún no se sabe

Debido a que el litio, un metal alcalino, es escaso en la corteza terrestre, es importante investigar qué tan bien se comportan en comparación las baterías que utilizan otros iones de metales alcalinos más abundantes, como el potasio o el sodio. Por esta razón, nuestro estudio se centró predominantemente en baterías de iones de potasio autoextinguibles, aunque también demostró que nuestro electrolito funciona bien para fabricar baterías de iones de litio autoextinguibles.

Queda por ver si nuestro electrolito puede funcionar igualmente bien para otros tipos de baterías que están en desarrollo, como las de iones de sodio, de aluminio y de zinc. Nuestro objetivo es desarrollar baterías prácticas, respetuosas con el medio ambiente y sostenibles, independientemente de su tipo de iones.

Sin embargo, por ahora, dado que nuestro electrolito alternativo tiene propiedades físicas similares a los electrolitos utilizados actualmente, se puede integrar fácilmente con las líneas de producción de baterías actuales. Si la industria lo adopta, esperamos que las empresas puedan fabricar baterías no inflamables utilizando sus instalaciones existentes de baterías de iones de litio.

Apparao M Rao es profesor de física Robert A. Bowen en el departamento de física y astronomía de Universidad de Clemson. Bingan Lu es profesor asociado de Física y Electrónica en la Universidad de Hunan.

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