Lithiumparistojen turvallisuuden ja niihin liittyvien riskien uudelleenarviointi – Ovatko geelelektrolyytit ratkaisu?

Litiumioniakkujen kysyntä on asetettu kasvamaan valtavalla vauhdilla. Arviot ennustavat, että vuosien 2022 ja 2030 välillä, maailmanlaajuinen kysyntä näille akuille kasvaa jopa seitseminkertaiseksi saavuttaen 4,7 terawattituntia. 

Kysyntä johtuu näiden akkujen laajasta käytöstä kannettavissa elektroniikkalaitteissa ja energian varastoinnissa, mukaan lukien sähköajoneuvot. Kuitenkin nämä akut eivät ole riskittömiä. Ne ovat alttiita tulipaloille ja räjähdyksille. 

Yksi ratkaisu näihin haavoittuvuuksiin liittyy puolijäyteisiin akkuihin. Ne vähentävät riskejä löytämällä tasapainon perinteisten nestemäisiä elektrolyyttejä käyttävien litiumioniakkujen ja kiinteän tilan akkujen välillä. 

Geelimäinen elektrolyytti, jota käytetään komponenttina, auttaa näitä akkuja saavuttamaan paremman vakauden ja pidemmän käyttöiän. Kuitenkin nämä geelelektrolyytit, pitkän korkean lämpötilan käsittelyn vuoksi, voivat kokea merkittävää hajoamista, mikä johtaa heikentyneeseen suorituskykyyn ja lisääntyneisiin valmistuskustannuksiin. Valmistusprosessi, jolla näitä akkuja tuotetaan, kohtaa myös haasteen puolijäyteisen elektrolyytin ja elektrodin välisten rajapintavastusten vuoksi. 

Äskettäin professori Soojin Park, Seoha Nam, tohtorikandidaatti, ja tohtori Hye Bin Son, tutkija Kemian laitoksessa Pohangin tiede- ja teknologiayliopistossa (POSTECH), ovat kehittäneet käyttökelpoisia tapoja ratkaista näitä haasteita luomalla vakaan ja kaupallisesti käyttökelpoisen geelelektrolyyttipohjaisen akun. 

Seuraavassa osiossa syvennymme akun toimintamekanismiin.

Turvallinen ja kaupallisesti käyttökelpoinen geelelektrolytti litiumakuuille

Haasteiden, kuten heikentyneiden elektrolyyttien, heikentyneen suorituskyvyn ja kasvavien kustannusten, ratkaisemiseksi tutkijaryhmä hyödynsi bifunktionaalista ristisidottavaa lisäainetta (CIA) ja dipentaerytritolia heksakrylaattia (DPH) elektronisäde (e-beam) -tekniikalla. 

Tutkijat poikkesivat perinteisestä valmistusprosessista, joka sisälsi elektrodin valmistuksen, elektrolyytin ruiskutuksen, kokoonpanon, aktivoinnin ja poistokaasujen poiston. 

Sen sijaan he paransivat DPH:n kaksitoimisuutta lisäämällä ylimääräisen e-beam-säteilysteen poistokaasujen poiston jälkeen. Samaan aikaan CIA toimi sekä lisäaineena vakaan rajapinnan luomiseksi anodin ja katodin pinnan välillä aktivoinnin aikana että ristisidoksena polymerirakenteen muodostamiseksi e-beam-säteilyn aikana.

Tuloksena syntynyt ratkaisu pystyi merkittävästi vähentämään kaasun muodostumista akkujen sivureaktioista alkuperäisen lataus- ja purkuvaiheen aikana. Vähennys oli jopa 25,5‑kertainen verrattuna perinteisiin akkuihin. Ratkaisu pystyi myös vakauttamaan rajapintavastuksen vahvan yhteensopivuuden ansiosta elektrodien ja geelelektrolyytin välillä. 

Kuitenkin tutkijat eivät pysähtyneet näihin saavutuksiin. He kehittivät 1,2 ampeerituntia kapasiteetin korkean kapasiteetin akun, jota testattiin 55 °C lämpötilassa – lämpötilassa, jossa elektrolyytit alkavat hajota. 55 °C:n ja sitä korkeammissa lämpötiloissa perinteiset elektrolyyttejä käyttävät akut kokevat merkittävän kapasiteetin vähenemisen ja turpoamisen 50 sykliä jälkeen.

Uusi akku sen sijaan pystyi ylläpitämään 1 ampeeritunnin kapasiteettia jopa 200 sykliä jälkeen ilman kaasun muodostumista ja osoitti parannetut turvallisuus‑ ja kestävyysstandardit. 

Kuvaillessaan tieteellisen löydön hyödyllisyyttä POSTECHin professori Soojin Park sanoi:

“Tämä vakauden ja kaupallisen käyttökelpoisuuden saavutus on lähellä mullistusta sähköajoneuvoteollisuudessa. Toivomme, että tämä edistys hyödyttää merkittävästi paitsi sähköajoneuvoja myös laajaa valikoimaa muita litiumioniakkuja hyödyntäviä sovelluksia.”

Seuraavissa osioissa tarkastelemme lyhyesti joitakin tällaisia litiumioniakkujen sovelluksia. 

Turvallisten litiumakkujen sovellukset

Vaikka ne ovat äskettäin saaneet huomiota sähköajoneuvoissa, litiumioniakkuja käytetään myös turvallisesti laajassa valikoimassa muita sovelluksia. Useat näistä sovelluksista ovat olennainen osa arkeamme, ja ne vaativat kaupallista käyttökelpoisuutta ja kestävyyttä. Esimerkiksi ladattavat litiumparistot ovat yleisiä sydämentahdistimissa, ja niiden on kestettävä laitteessa tyypillinen seitsemän‑kahdeksan vuoden käyttöikä pitäen painon alle 30 gramman.

Digitaalikamerat, erityisesti DSLR‑kamerat, luottavat litiumioniakkujen kompaktin koon ja suuren teho‑kapasiteetin vuoksi, mikä tarjoaa paremman suorituskyvyn verrattuna muihin akkutyyppeihin. Samoin digitaaliavustajat, älypuhelimet ja kannettavat tietokoneet riippuvat näistä turvallisista ja luotettavista akkuista niiden kestävyyden, korkean energiatihentymän, kevyen rakenteen, helpon latauksen ja alhaisen ylläpitokustannuksen vuoksi.

Lisäksi 3 voltin kapasiteetin pienet litiumioniakut käytetään laitteissa niin pieninä kuin kelloissa, jotka voivat kestää jopa vuosikymmenen. Nämä akut myös voimaannuttavat liikkumisratkaisuja, kuten henkilökohtaisia skoottereita, golfautoja ja kärryjä, kiitos niiden kyvyn varastoida ja vapauttaa sähköenergiaa tehokkaasti. Tämä ominaisuus tekee niistä ihanteellisia sovelluksia, kuten UPS‑järjestelmiä, hätävirran varmuuskopioita ja aurinkoenergian varastointia. Lisäksi niitä käytetään yhä enemmän nousevilla aloilla, kuten merialuksissa, vapaa‑ajan ajoneuvoissa sekä kannettavissa, puettavissa lääketieteellisissä laitteissa.

Litiumakkujen kasvava käyttöönotto on lisännyt niiden tuotantoa ja valmistusta. Kuitenkin on tärkeää, että nämä prosessit ovat yhtä turvallisia ja käyttökelpoisia kuin itse akut. Tämä huolenaihe korostui äskettäisessä traagisessa tulipalossa Etelä-Korean litiumakkujen tehtaalla, jossa 22 työntekijää menehtyi.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten akkutehtaat kamppailevat kasvavan kysynnän täyttämiseksi. 

Tulipalo Etelä-Korean litiumakkujen tehtaalla

24. kesäkuuta syttyi tuhoisa tulipalo litiumakkujen tehtaassa Etelä-Koreassa, jonka aiheuttivat useat akkujen räjähdykset, ja 22 työntekijää menehtyi. Tehtaan, jonka omistaa pääasiallinen akkutehdas Aricell, sijaitsee Hwaseongissa, teollisuusalueella Etelä-Korean etelä-länsiosassa.

Tulipalon syttyessä nopeasti levisi myrkyllinen kaasu koko tehtaassa, jossa oli varastossa jopa 35 000 akkua. Selittäessään mahdollisen syyn, miksi tulipalo oli niin kohtalokas, Daejeonin yliopiston paloturvallisuusprofessori Kim Jae-ho totesi:

“Akkumateriaalit, kuten nikkeli, ovat helposti syttyviä. Siksi usein ei ole tarpeeksi aikaa reagoida, verrattuna muihin materiaaleihin aiheutuneisiin tulipaloihin.”

Asiantuntijat korostivat myös, että kuolemantapaus oli suurempi myrkyllisten materiaalien vuoksi, ei pelkästään palovammojen. 

Voidaanko tällaiset tapaukset estää?

Litiumioniakkujen kanssa on aina oltava varovainen, sillä niillä on korkein tilavuusenergiatiheys energian varastolaitteiden joukossa. Työterveys- ja turvallisuusvirasto (OSHA) on julkaissut yksityiskohtaiset ohjeet tulipalon ja räjähdyksen ehkäisemiseksi pienissä ja kannettavissa litiumparistoilla toimivissa laitteissa.

Massachusetts Institute of Technology, yksi maailman arvostetuimmista teknillisistä oppilaitoksista, on myös julkaissut Lithium‑Ion Safety Guidance -ohjeet. Ohjeiden mukaan kaikki työalueet, joissa käsitellään näitä akkuja, on varustettava ei‑johtavilla ja paloturvallisilla materiaaleilla.

Jos on pakko työskennellä johtavalla pinnalla, sitä suositellaan peittämään eristysmateriaalilla. Lisäksi alueelta on poistettava kaikki syttyvät tai palavat materiaalit, kuten puupöydät, matot, bensiini tai terävät esineet, jotka voisivat lävistää solujen eristysliivin. Paras työskentelylämpötila on 15–35 °C, eikä ympäristön lämpötila saa koskaan ylittää 60 °C.

Oikea varastointi on keskeinen tekijä tulipalon ja räjähdyksen riskin vähentämisessä. Raportti liittää monia litiumioniakkujen tulipaloja puutteellisiin varastointialueisiin. Parhaan turvallisuuden varmistamiseksi varastointialueen on otettava huomioon sellun muotoilu, kemia, lämpötila, varausaste ja varastointiaika.

Akkutehtaat on otettava käyttöön tiukat turvallisuustoimenpiteet, sillä litiumakutaitteiden tulipalot voivat olla katastrofaalisia paitsi tulen vuoksi myös aiheuttaman myrkyllisyyden takia.

Vaikka valmistuksen turvallisuutta voidaan jatkuvasti parantaa, akkujen on myös oltava luontaisesti turvallisia. Jotkut yritykset ovat jatkuvasti investoineet turvallisten litiumakkujen tuotantoon. Seuraavissa osioissa tarkastelemme tällaisia yrityksiä.

#1. Panasonic Energyn litiumioniakut

Panasonic on omistautunut varmistamaan akkujen turvallisuuden kapasiteettien kasvaessa ja keskittyy kehittyneiden akkumateriaalien, prosessien ja ohjausteknologioiden kehittämiseen turvallisen ja luotettavan akkun käytön takaamiseksi.

Sen akkuilla on korkea lämpötilankestävyys, sillä räjähdyksen riski kasvaa, kun akut lämpenevät yli 100 °C. Panasonic kuitenkin tunnustaa, että akkujen pinnoittaminen tai sekoittaminen voi aiheuttaa ulkoisia oikosulkuja, lämmön muodostumista, tulipaloja tai räjähdyksiä.

Yritys noudattaa tiukkoja käsittely‑ ja varastointiohjeita, eikä se salli akkujen napojen koskettaa toisiaan tai muita metalleja pakkaamisen aikana. Se käyttää vahvaa pakkausmateriaalia suojatakseen tavarat tärinältä, iskuilta, pudotuksilta ja pinnoittelulta kuljetuksen aikana. Panasonic suosittelee myös akkujen säilyttämistä huoneenlämmössä ja lataamista noin 30‑50 % kapasiteettiin.

Se valmistaa erilaisia litiumakkuja, mukaan lukien sylinterimuotoiset akut, prismamaiset akut, pussi‑tyyppiset akut ja nastamaiset akut.

Viimeisimmän saatavilla olevan konsernin integroidun raportin mukaan yritys rekisteröi liikevaihdon 8 378,9 miljardia jeniä vuonna 2023. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions on toinen johtava globaali brändi, joka noudattaa tarkkoja ohjeita Li‑ion‑paristopakettien valmistuksessa. Se kieltää Li‑ion‑paristokennojen käytön, jotka ovat kokeneet pudotuksen pakettivalmistuksessa.

Sähköisen oikosulun ehkäisemiseksi Li‑ion‑paristokennot tulee pitää poissa metalliesineistä ja käsitellä ympäristöissä, jotka estävät vauriot tai kontaminaation.

Lisäksi hitsausta ei tule suorittaa suoraan Li‑ion‑paristokennon pinnalla, eikä kennoja saa altistaa voimakkaalle lämmölle tai paineelle hitsausprosessin aikana.

Vuonna 2023 LG rekisteröi 84 228 miljardia KRW myyntivolyymin, mikä oli nousu vuoden 2022 83 467 miljardiin KRW, mutta merkittävä kasvu vuoden 2021 73 908 miljardiin KRW verrattuna.

Litiumioniakkujen turvallisuushuolenaiheet: kattava katsaus

Tutkimus, joka laajasti tutki Li‑ion‑akkujen turvallisuushuolia osoitti useita mahdollisia ongelmia, jotka voivat muodostua uhkaksi tai riskiksi. 

Lämpötilan hallitsemattomat nousut, jotka ovat yksi vakavimmista turvallisuusongelmista Li‑ion‑akuissa, johtuvat sivureaktioista. Nämä reaktiot voivat tapahtua elektrolyytissä, katodin ja anodin välillä sekä elektrodipintojen ja Li‑kerrostumien rajapinnoilla. Tällaiset hallitsemattomat nousut laukeavat usein mekaanisen, lämpötilan tai sähköisen väärinkäytön seurauksena.

Mekaaninen väärinkäyttö voi aiheuttaa turvallisuusongelmia Li‑ion‑akuissa, samoin kuin sähköinen väärinkäyttö voi heikentää niiden eheyttä. Vastaavasti lämpötilan väärinkäyttö, jossa akku kokee lämpöshokin tai saavuttaa liian korkean lämpötilan, aiheuttaa merkittäviä riskejä.

Tutkimus esittelee myös strategioita turvallisuuden parantamiseksi sekä sisäisesti että ulkoisesti. Keskeinen tekijä Li‑ion‑akkujen (LIB) turvallisuuden parantamisessa on hyvin suunniteltu sisäänrakennettu jäähdytysjärjestelmä. Lisäksi oikean tasapainon ylläpitäminen kennojen välillä on olennaista; tämä sisältää jännitteiden, kapasiteettien tai varausasteiden (SOC) mittaamisen ja vertailun kaikkien kennojen välillä jokaisen latausjakson jälkeen.

Valmistajat voivat noudattaa useita kehyksiä tuotannon turvallisuuden varmistamiseksi. Itse asiassa useat maat ovat jo julkaisseet tällaisia standardeja, mukaan lukien Kiinan standardi, SAE‑standardi, IEC‑standardi, YK‑standardi, Japanin teollisuusstandardi (JIS) ja muut.

Kaiken kaikkiaan elämme aikaa, jossa elektroniset laitteet hallitsevat arkeamme, mikä lisää riippuvuutta litiumakuista. Kun pyrimme suurempaan tehokkuuteen ja nopeuteen teknologioissamme, meidän on varmistettava, että turvallisuus säilyy etusijalla. Äskettäinen onnettomuus Etelä-Koreassa toimii karuna muistutuksena tämän tasapainon tärkeydestä, korostaen tarvetta estää tällaiset valitettavat tapaukset tulevaisuudessa.

Klikkaa tästä oppiaksesi kymmenestä parhaita akkuosakkeita, joihin kannattaa sijoittaa.