Genvurdering af sikkerheden og de tilknyttede risici ved lithiumbatterier – Er gel‑elektrolytter løsningen?

Efterspørgslen efter lithium‑ion‑batterier er sat til at stige i et fænomenalt tempo. Estimater forudser, at mellem 2022 og 2030, den globale efterspørgsel efter disse batterier vil stige så meget som syv‑fold og nå 4,7 terawatt‑timer. 

Efterspørgslen drives af den omfattende brug af disse batterier i bærbar elektronik og energilagring, herunder el‑biler. Disse batterier er dog ikke risikofrie. De er sårbare over for brand og eksplosion. 

En løsning på disse sårbarheder involverer halvvæske‑batterier. De reducerer risiciene ved at finde en mellemvej mellem traditionelle lithium‑ion‑batterier med flydende elektrolytter og fast‑tilstand‑batterier. 

En gel‑lignende elektrolyt, brugt som komponent, hjælper disse batterier med at opnå forbedret stabilitet og længere levetid. Dog kan disse gel‑elektrolytter, på grund af deres langvarige varmebehandling ved høje temperaturer, gennemgå betydelig nedbrydning, hvilket resulterer i nedsat ydeevne og øgede produktionsomkostninger. Fremstillingsprocessen for disse batterier står også over for en udfordring på grund af grænseflade‑modstanden mellem den halvvæske elektrolyt og elektroden. 

For nylig har professor Soojin Park, Seoha Nam, en ph.d.-studerende, og Dr. Hye Bin Son, forsker ved Institut for Kemi på Pohang University of Science and Technology (POSTECH), udtænkt levedygtige metoder til at tackle disse udfordringer ved at skabe et stabilt og kommercielt levedygtigt gel‑elektrolyt‑baseret batteri. 

I det kommende afsnit dykker vi dybere ned i forståelsen af batteriets mekanisme.

Sikker og kommercielt levedygtig gel‑elektrolyt til lithium‑batterier

I håndteringen af udfordringerne med nedbrudte elektrolytter, nedsat ydeevne og stigende omkostninger udnyttede forskerholdet bifunktionelt kryds‑linkbart tilsætningsstof (CIA) og dipentaerythritol hexaacrylat (DPH) med elektronstråle‑ (e‑beam) teknologi. 

Forskerne gik en anden vej end den konventionelle fremstillingsproces, som omfattede elektrodeforberedelse, elektrolyt‑injektion, samling, aktivering og udblæsning. 

I stedet forbedrede de DPH’s dobbelte funktionalitet ved at introducere et ekstra e‑beam‑irradiationstrin efter udblæsningsprocessen. Samtidig fungerede CIA både som et tilsætningsstof for at lette en stabil grænseflade mellem anode‑ og katodesurfaces under aktivering og som et kryds‑linker for at danne en polymerstruktur under e‑beam‑irradiationen.

Den resulterende løsning kunne markant reducere gasdannelse fra batteriets side‑reaktioner under de indledende opladnings‑ og afladningsprocesser. Reduktionen var så høj som 25,5‑fold i forhold til konventionelle batterier. Løsningen kunne også stabilt opretholde grænseflade‑modstanden takket være den stærke kompatibilitet mellem elektroderne og gel‑elektrolytten. 

Forskerne stoppede dog ikke ved disse resultater. De gik videre med at udvikle et højkapacitetsbatteri på 1,2 ampere‑timer, som blev testet ved en temperatur på 55 °C – en temperatur hvor elektrolytter begynder at nedbrydes. Ved 55 °C og derover oplever konventionelle batterier, der bruger elektrolytter, en betydelig kapacitetsreduktion og oppustning efter 50 cyklusser.

Det nye batteri derimod kunne opretholde en kapacitet på 1 ampere‑time selv efter 200 cyklusser uden at generere gas og demonstrerede forbedrede sikkerheds‑ og holdbarhedsstandarder. 

Mens han uddyber nytten af den videnskabelige opdagelse, sagde professor Soojin Park fra POSTECH:

“Denne præstation inden for stabilitet og kommerciel levedygtighed er på vej til at blive et gennembrud i el‑bilindustrien. Vi håber, at dette fremskridt vil gavne ikke kun el‑biler, men også en bred vifte af andre anvendelser, der er afhængige af lithium‑ion‑batterier.”

I de følgende afsnit vil vi kort se på nogle af disse anvendelser af lithium‑ion‑batterier. 

Anvendelsen af sikre lithium‑batterier

Selvom de for nylig har fået opmærksomhed for deres brug i el‑biler, anvendes lithium‑ion‑batterier også sikkert i en bred vifte af andre anvendelser. Flere af disse anvendelser er integrerede dele af vores daglige liv og kræver kommerciel levedygtighed og styrke. For eksempel er genopladelige lithium‑batterier almindelige i pacemakere og skal kunne betjene enheden i en typisk levetid på syv til otte år, samtidig med at deres vægt holdes under 30 gram.

Digitale kameraer, især DSLR‑kameraer, er afhængige af lithium‑ion‑batterier for deres kompakte størrelse og høje effektkapacitet, hvilket leverer overlegen ydeevne sammenlignet med andre batterityper. På samme måde er digitale assistenter, smartphones og bærbare computere afhængige af disse sikre og pålidelige batterier for deres holdbarhed, høje energitæthed, lette konstruktion, nem opladning og lavpris‑vedligeholdelse.

Desuden anvendes små Li‑ion‑batterier med en kapacitet på 3 volt i enheder så små som ure, som kan holde i op til et årti. Disse batterier driver også mobilitetsløsninger som personlige scootere, golf‑vogne og vogne, takket være deres evne til effektivt at lagre og frigive elektrisk ladning. Denne egenskab gør dem ideelle til anvendelser som UPS‑systemer, nødstrøms‑backup og solenergilagring. Derudover anvendes de i stigende grad i nye områder som marine‑ og fritids‑køretøjer samt bærbare medicinske enheder designet til at bæres.

Den stigende anvendelse af lithium‑batterier har ført til en stigning i deres produktion og fremstilling. Det er dog afgørende, at disse processer er lige så sikre og levedygtige som selve batterierne. Denne bekymring understreges af den nylige tragiske brand på et sydkoreansk lithium‑batterifacilitet, som resulterede i dødsfaldet af 22 arbejdere.

Klik her for at lære, hvordan batteriproducenter kæmper for at imødekomme den stigende efterspørgsel. 

Brand på en sydkoreansk lithium‑batterifacilitet

Den 24. juni brød en ødelæggende brand ud på en lithium‑batterifabrik i Sydkorea, forårsaget af flere batterieeksplosioner, hvilket resulterede i døden af 22 arbejdere. Faciliteten, drevet af den primære batteriproducent Aricell, ligger i Hwaseong, et industriområde sydvest for Seoul.

Kort efter branden startede spredte giftig gas sig hurtigt gennem fabrikken, som på det tidspunkt opbevarede op til 35.000 batterier. For at forklare den mulige årsag til, hvorfor branden blev så dødelig, sagde Kim Jae-ho, professor i brand- og katastrofeberedskab ved Daejeon University, følgende:

“Batterimaterialer som nikkel er let brandbare. Så ofte er der ikke nok tid til at reagere, sammenlignet med en brand forårsaget af andre materialer.”

Eksperterne påpegede også, at antallet af ofre var højere på grund af de giftige materialer, der blev brugt, og ikke så meget på grund af forbrændingerne. 

Er sådanne hændelser forebyggelige?

Man skal altid være forsigtig, når man håndterer lithium‑ion‑batterier, da de har den højeste volumen‑energitethed blandt energilagringsenheder. Occupational Safety and Health Administration (OSHA) har offentliggjort detaljerede instruktioner om forebyggelse af brand‑ og eksplosionsskader fra små og bærbare lithium‑batteridrevne enheder.

Massachusetts Institute of Technology, en af de mest anerkendte teknologiske uddannelsesinstitutioner i verden, har også offentliggjort Lithium‑Ion Safety Guidance. Ifølge deres instruktioner skal ethvert arbejdsområde, der håndterer disse batterier, have overflader lavet af ikke‑ledende og brandfaste materialer.

Hvis man skal arbejde på en ledende overflade, anbefales det at dække den med et isolerende materiale. Derudover bør området være fri for brandbare eller brændbare materialer såsom træborde, tæpper, benzin eller skarpe genstande, der kan punktere den isolerende hylster på cellerne. De bedste arbejds‑temperaturer er mellem 15 og 35 °C, og den omgivende temperatur bør aldrig overstige 60 °C.

Korrekt opbevaring spiller en kritisk rolle i at reducere risikoen for brand og eksplosion. Rapporten knytter mange lithium‑ion‑batteribrande til utilstrækkelige opbevaringsområder. For at opretholde de højeste sikkerhedsstandarder skal opbevaringsområdet tage højde for faktorer som celle‑design, kemi, temperatur, ladningsstatus og opbevaringsperiodens længde.

Batteriproduktionsenheder skal vedtage strenge sikkerhedsforanstaltninger, da brande i lithium‑batterifaciliteter kan være katastrofale, ikke kun på grund af selve branden, men også på grund af den resulterende toksicitet.

Selvom sikkerheden i fremstillingen løbende kan forbedres, skal batterier også være iboende sikre. Nogle virksomheder har støt investeret i produktionen af sikre lithium‑batterier. I de kommende afsnit vil vi undersøge sådanne virksomheder.

#1. Panasonic Energys lithium‑ion‑batterier

Panasonic er dedikeret til at sikre batterisikkerhed, efterhånden som batterikapaciteten vokser, og fokuserer på at udvikle avancerede batterimaterialer, forfine processer og skabe kontrolteknologier for at garantere sikker og pålidelig batteribrug.

Dens batterier har et højt niveau af temperatur‑modstandsdygtighed, da risikoen for eksplosion stiger, når batterier opvarmes over 100 °C. Panasonic erkender dog, at stable eller blande batterier kan forårsage eksterne kortslutninger, varmeudvikling, brand eller eksplosion.

Virksomheden følger strenge håndterings‑ og opbevaringsretningslinjer, der ikke tillader batteriterminaler at komme i kontakt med hinanden eller andre metaller under pakning. Den bruger stærkt emballagemateriale til at beskytte varerne mod vibration, stød, fald og stabling under transport. Panasonic anbefaler også strengt at opbevare batterier ved stuetemperatur og oplade dem til omkring 30‑50 % kapacitet.

Den producerer en række lithium‑batteriprodukter, herunder cylindriske batterier, prismatiske batterier, pose‑type batterier og pin‑type batterier.

Ifølge den seneste tilgængelige integrerede rapport for koncernen registrerede virksomheden en omsætning på 8.378,9 milliarder yen i 2023. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions er et andet førende globalt mærke, der arbejder under veldefinerede retningslinjer for sin Li‑ion‑batteripakke‑produktion. Det forbyder brug af lithium‑ion‑battericeller, der har oplevet nogen form for fald, i pakkeproduktionen.

For at forhindre elektrisk kortslutning bør lithium‑ion‑battericeller holdes væk fra metalgenstande og håndteres i miljøer, der forhindrer skade eller forurening.

Desuden bør svejsning ikke udføres direkte på overfladen af lithium‑ion‑battericeller, og cellerne bør ikke udsættes for intens varme eller tryk under svejseprocessen.

I 2023 registrerede LG et salg på 84.228 mia. KRW, hvilket var en marginal stigning i forhold til 2022’s 83.467 mia. KRW, men en betydelig stigning i forhold til 73.908 mia. KRW i 2021.

Sikkerhedsbekymringer ved lithium‑ion‑batterier: En omfattende gennemgang

Forskning, der grundigt har undersøgt sikkerhedsbekymringer ved Li‑ion‑batterier pegede på flere potentielle problemer, der kan opstå som en trussel eller udgøre en risiko. 

Termiske løb, som er blandt de mest skadelige sikkerhedsproblemer i Li‑ion‑batterier, opstår som følge af side‑reaktioner. Disse reaktioner kan forekomme inden for elektrolytten, mellem katode og anode samt ved grænseflader på elektrodeoverflader og Li‑aflejring. Sådanne løb udløses ofte af mekanisk, termisk eller elektrisk misbrug.

Mekanisk misbrug kan føre til sikkerhedsproblemer i Li‑ion‑batterier, ligesom elektrisk misbrug kan kompromittere deres integritet. På samme måde udgør termisk misbrug, hvor et batteri udsættes for termisk chok eller når ekstremt høje temperaturer, også betydelige risici.

Forskningen skitserer også strategier for at forbedre sikkerheden, både internt og eksternt. Et afgørende element for at forbedre sikkerheden for Li‑ion‑batterier (LIB) er et veludformet indbygget kølesystem. Derudover er det vigtigt at opretholde den rette balance mellem cellerne; dette indebærer at måle og sammenligne spændinger, kapaciteter eller ladningsgrader (SOC) for alle celler efter hver opladningscyklus.

Producenter kan følge flere rammer for at sikre produktionssikkerheden. Faktisk har en række lande allerede offentliggjort sådanne standarder, herunder den kinesiske standard, Society of Automotive Engineers (SAE)-standarden, International Electrotechnical Commission (IEC)-standarden, United Nations (UN)-standarden, Japanese Industrial Standard (JIS) og flere.

Generelt lever vi i en tid domineret af elektroniske enheder, hvilket fører til en stadigt stigende afhængighed af lithium‑batterier. Mens vi forfølger større effektivitet og hastighed i vores teknologier, skal vi sikre, at sikkerheden forbliver en prioritet. Den nylige ulykke i Sydkorea fungerer som en skarp påmindelse om vigtigheden af denne balance og understreger behovet for at forhindre sådanne uheldige hændelser i fremtiden.

Klik her for at lære om de ti bedste batteriaktier at investere i.