Herbeoordeling van de veiligheid en bijbehorende risico’s van lithiumbatterijen – Zijn gel‑elektrolyten de oplossing?

De vraag naar lithium‑ionbatterijen staat op het punt om in een fenomenaal tempo toe te nemen. Schattingen voorspellen dat tussen 2022 en 2030, de wereldwijde vraag naar deze batterijen tot wel zeven keer zal stijgen tot 4,7 terawattuur. 

De vraag wordt gedreven door het uitgebreide gebruik van deze batterijen in draagbare elektronica en energieopslag, inclusief elektrische voertuigen. Deze batterijen zijn echter niet risicovrij. Ze zijn kwetsbaar voor brand en explosie. 

Een oplossing voor deze kwetsbaarheden omvat halfvaste batterijen. Ze verminderen risico’s door een middenweg te vinden tussen traditionele lithium‑ionbatterijen met vloeibare elektrolyten en solid‑state batterijen. 

Een gelachtige elektrolyt, gebruikt als component, helpt deze batterijen meer stabiliteit en een langere levensduur te krijgen. Echter, deze gel‑elektrolyten kunnen door hun langdurige hittebehandeling bij hoge temperaturen aanzienlijke degradatie ondergaan, wat leidt tot verminderde prestaties en hogere productiekosten. Het fabricageproces van deze batterijen ondervindt ook een uitdaging door de interfaceresistentie tussen de halfvaste elektrolyt en de elektrode. 

Recentelijk hebben professor Soojin Park, Seoha Nam, een PhD‑kandidaat, en Dr. Hye Bin Son, onderzoeker bij de afdeling Scheikunde van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH), haalbare manieren ontwikkeld om deze uitdagingen aan te pakken door een stabiele en commercieel levensvatbare op gel‑elektrolyt gebaseerde batterij te creëren. 

In het komende segment gaan we dieper in op het mechanisme van de batterij.

Veilige en commercieel levensvatbare gel‑elektrolyt voor lithiumbatterijen

Bij het aanpakken van de uitdagingen van gedegradeerde elektrolyten, verminderde prestaties en stijgende kosten, maakte het onderzoeksteam gebruik van bifunctionele kruislinkbare additief (CIA) en dipentaerythritol hexaacrylaat (DPH) met elektronenbundel (e‑beam) technologie. 

De onderzoekers volgden een andere aanpak dan het conventionele productieproces, dat elektrode‑preparatie, elektrolyt‑injectie, assemblage, activering en ontgassing omvatte. 

In plaats daarvan verbeterden ze de dubbele functionaliteit van DPH door een extra e‑beam bestraling stap toe te voegen na het ontgassingsproces. Ondertussen fungeerde de CIA zowel als additief om een stabiele interface tussen de anode‑ en kathodesurfaces tijdens activering te faciliteren als als kruislinker om een polymeerverband te vormen tijdens de e‑beam bestraling.

De resulterende oplossing kon de gasproductie door bijreacties in de batterij tijdens de eerste laad‑ en ontlaadprocessen aanzienlijk verminderen. De afname was tot wel 25,5‑maal lager vergeleken met conventionele batterijen. De oplossing kon ook de interfaciale weerstand stabiel behouden dankzij de sterke compatibiliteit tussen elektroden en de gel‑elektrolyt. 

De onderzoekers stopten echter niet bij deze prestaties. Ze ontwikkelden een batterij met hoge capaciteit van 1,2 ampère‑uur, die werd getest bij een temperatuur van 55 graden Celsius – een temperatuur waarbij elektrolyten beginnen te ontleden. Bij 55 graden Celsius en hoger ondervinden conventionele batterijen die elektrolyten gebruiken een aanzienlijke capaciteitsvermindering en zwelling na 50 cycli.

De nieuwe batterij daarentegen kon een capaciteit van 1 ampère‑uur behouden, zelfs na 200 cycli, zonder gasvorming en toonde verbeterde veiligheids- en duurzaamheidstandaarden. 

Terwijl hij de bruikbaarheid van de wetenschappelijke ontdekking toelichtte, zei professor Soojin Park van POSTECH:

“Deze prestatie op het gebied van stabiliteit en commerciële levensvatbaarheid staat op het punt een doorbraak te zijn in de elektrische voertuigindustrie. We hopen dat deze vooruitgang niet alleen elektrische voertuigen, maar ook een breed scala aan andere toepassingen die afhankelijk zijn van lithium‑ionbatterijen, aanzienlijk zal ten goede komen.”

In de volgende segmenten kijken we kort naar enkele van deze toepassingen van lithium‑ionbatterijen. 

De toepassingen van veilige lithiumbatterijen

Hoewel ze recentelijk aandacht hebben gekregen voor hun gebruik in elektrische voertuigen, worden lithium‑ionbatterijen ook veilig ingezet in een breed scala aan andere toepassingen. Verschillende van deze toepassingen vormen een integraal onderdeel van ons dagelijks leven en vragen om commerciële levensvatbaarheid en robuustheid. Bijvoorbeeld, oplaadbare lithiumbatterijen komen veel voor in pacemakers en moeten het apparaat gedurende een typische levensduur van zeven tot acht jaar van stroom voorzien, terwijl hun gewicht onder de 30 gram blijft.

Digitale camera’s, met name DSLR’s, vertrouwen op lithium‑ionbatterijen vanwege hun compacte formaat en hoge vermogenscapaciteit, wat superieure prestaties levert ten opzichte van andere batterijtypen. Evenzo vertrouwen digitale assistenten, smartphones en laptops op deze veilige en betrouwbare batterijen voor hun duurzaamheid, hoge energiedichtheid, lichtgewicht constructie, eenvoudige opladen en lage onderhoudskosten.

Bovendien worden kleine Li‑ionbatterijen met een capaciteit van 3 volt gebruikt in apparaten zo klein als horloges, die tot een decennium mee kunnen gaan. Deze batterijen leveren ook energie aan mobiliteitsoplossingen zoals persoonlijke scooters, golfkarren en trolleys, dankzij hun vermogen om elektrische lading efficiënt op te slaan en vrij te geven. Deze eigenschap maakt ze ideaal voor toepassingen zoals UPS‑systemen, noodstroomvoorzieningen en opslag van zonne‑energie. Daarnaast worden ze steeds meer ingezet in opkomende sectoren zoals maritieme en recreatieve voertuigen, evenals draagbare medische apparaten ontworpen voor draagbaarheid.

De toenemende adoptie van lithiumbatterijen heeft geleid tot een stijging van hun productie en fabricage. Het is echter cruciaal dat deze processen net zo veilig en levensvatbaar zijn als de batterijen zelf. Deze zorg wordt onderstreept door de recente tragische brand in een Zuid‑Koreaanse lithiumbatterijfabriek, waarbij 22 arbeiders om het leven kwamen.

Klik hier om te leren hoe batterijfabrikanten zich haasten om aan de groeiende vraag te voldoen. 

Brand in een Zuid-Koreaanse lithiumbatterijfabriek

Op 24 juni brak er een verwoestende brand uit in een lithiumbatterijfabriek in Zuid-Korea, veroorzaakt door meerdere batterijexplosies, wat leidde tot de dood van 22 arbeiders. De faciliteit, beheerd door de belangrijkste batterijfabrikant Aricell, bevindt zich in Hwaseong, een industrieel gebied ten zuidwesten van Seoul.

Kort nadat de brand begon, verspreidde giftig gas zich snel door de fabriek, die destijds tot 35.000 batterijen opsloeg. Om de mogelijke reden te verklaren waarom de brand zo dodelijk werd, zei Kim Jae-ho, professor Brand- en rampenpreventie aan de Daejeon University:

“Batterijmaterialen zoals nikkel zijn gemakkelijk brandbaar. Vaak is er daardoor niet genoeg tijd om te reageren, vergeleken met een brand veroorzaakt door andere materialen.”

De experts wezen ook op het feit dat het aantal slachtoffers hoger was door de gebruikte giftige materialen en niet zozeer door de brandwonden. 

Zijn dergelijke incidenten te voorkomen?

Men moet altijd voorzichtig zijn bij het omgaan met lithium‑ionbatterijen, aangezien ze de hoogste volumetrische energiedichtheid hebben onder energieopslagapparaten. De Occupational Safety and Health Administration (OSHA) heeft gedetailleerde richtlijnen gepubliceerd voor het voorkomen van brand- en explosie‑verwondingen van kleine en draagbare door lithiumbatterijen aangedreven apparaten.

Het Massachusetts Institute of Technology, een van de meest gerespecteerde technologische onderwijsinstellingen ter wereld, heeft ook de Lithium‑Ion Safety Guidance gepubliceerd. Volgens hun richtlijnen moet elke werkruimte die deze batterijen behandelt oppervlakken hebben van niet‑geleidend en brandwerend materiaal.

Als men op een geleidende ondergrond moet werken, wordt aanbevolen deze te bedekken met een isolerend materiaal. Bovendien moet het gebied vrij zijn van brandbare of ontvlambare materialen zoals houten tafels, tapijten, benzine, of scherpe voorwerpen die de isolerende mantel van cellen kunnen doorboren. De optimale werktemperaturen liggen tussen 15 en 35 graden Celsius, en de omgevingstemperatuur mag nooit boven de 60 graden uitkomen.

Juiste opslag speelt een cruciale rol bij het verminderen van het risico op brand en explosie. Het rapport koppelt veel lithium‑ionbatterijbranden aan ontoereikende opslagruimtes. Om de hoogste veiligheidsnormen te handhaven, moet de opslagruimte rekening houden met factoren zoals celontwerp, chemie, temperatuur, ladingstoestand en de duur van de opslagperiode.

Fabrikanten van batterijen moeten strenge veiligheidsmaatregelen hanteren, aangezien branden in lithiumbatterijfaciliteiten catastrofaal kunnen zijn, niet alleen door de brand zelf maar ook door de resulterende toxiciteit.

Hoewel de veiligheid in de productie voortdurend kan worden verbeterd, moeten batterijen ook van nature veilig zijn. Sommige bedrijven investeren gestaag in de productie van veilige lithiumbatterijen. In de komende segmenten zullen we dergelijke bedrijven onderzoeken.

#1. Panasonic Energy’s Lithium‑ionbatterijen

Panasonic zet zich in om de veiligheid van batterijen te waarborgen naarmate de batterijkapaciteit groeit en richt zich op de ontwikkeling van geavanceerde batterijmaterialen, het verfijnen van processen en het creëren van controle‑technologieën om veilig en betrouwbaar batterijgebruik te garanderen.

Zijn batterijen hebben een hoog temperatuurbestendigheidsniveau, aangezien het explosierisico toeneemt wanneer batterijen boven de 100 graden Celsius worden verwarmd. Echter, Panasonic erkent dat het stapelen of door elkaar husselen van batterijen externe kortsluitingen, warmteontwikkeling, brand of explosie kan veroorzaken.

Het bedrijf volgt strikte handling‑ en opslagrichtlijnen, waarbij het niet is toegestaan dat batterijterminals elkaar of andere metalen tijdens het verpakken raken. Het gebruikt sterk verpakkingsmateriaal om de goederen te beschermen tegen trillingen, impact, vallen en stapelen tijdens transport. Panasonic raadt bovendien strikt aan om batterijen bij kamertemperatuur te bewaren en ze op ongeveer 30‑50% capaciteit op te laden.

Het produceert een reeks lithiumbatterijproducten, waaronder cilindrische batterijen, prismatische batterijen, pouch‑type batterijen en pin‑type batterijen.

Volgens het meest recente geïntegreerde rapport van de groep registreerde het bedrijf een omzet van 8.378,9 miljard yen in 2023. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions is een ander toonaangevend wereldwijd merk dat werkt volgens goed uitgewerkte richtlijnen voor de productie van Li‑ion batterijpakketten. Het verbiedt het gebruik van Lithium‑ion batterijcellen die enige val hebben ondergaan voor de productie van pakketten.

Om elektrische kortsluiting te voorkomen, moeten Lithium‑ion batterijcellen uit de buurt van metalen voorwerpen worden gehouden en worden behandeld in omgevingen die schade of contaminatie voorkomen.

Bovendien mag lassen niet rechtstreeks op het oppervlak van Lithium‑ion batterijcellen worden uitgevoerd, en de cellen mogen niet worden blootgesteld aan intensieve hitte of druk tijdens het lasproces.

In 2023 registreerde LG een verkoopvolume van 84,228 miljard KRW, een lichte stijging ten opzichte van 83,467 miljard KRW in 2022, maar een aanzienlijke toename ten opzichte van 73,908 miljard KRW in 2021.

Lithium‑ionbatterijveiligheidszorgen: een uitgebreide beoordeling

Onderzoek dat uitgebreid de veiligheidszorgen van Li‑ionbatterijen onderzocht heeft wees op verschillende potentiële problemen die als bedreiging kunnen opduiken of een risico vormen. 

Thermische runaways, die tot de meest schadelijke veiligheidsproblemen in Li‑ionbatterijen behoren, ontstaan door bijreacties. Deze reacties kunnen plaatsvinden binnen de elektrolyt, tussen de kathode en anode, en op de interfaces van elektrodeoppervlakken en Li‑afzetting. Dergelijke runaways worden vaak veroorzaakt door mechanisch, thermisch of elektrisch misbruik.

Mechanisch misbruik kan leiden tot veiligheidsproblemen in Li‑ionbatterijen, net zoals elektrisch misbruik hun integriteit kan ondermijnen. Evenzo vormt thermisch misbruik, waarbij een batterij thermische schokken ondergaat of extreem hoge temperaturen bereikt, aanzienlijke risico’s.

Het onderzoek schetst ook strategieën voor het verbeteren van de veiligheid, zowel intern als extern. Een cruciaal element voor het verbeteren van de veiligheid van Li‑ionbatterijen (LIB) is een goed ontworpen ingebouwd koelsysteem. Daarnaast is het behouden van de juiste balans tussen cellen essentieel; dit omvat het meten en vergelijken van de spanningen, capaciteiten of State of Charges (SOC’s) van alle cellen na elke laadcyclus.

Fabrikanten kunnen verschillende kaders volgen om de veiligheid van de productie te waarborgen. In feite hebben al tal van landen dergelijke normen gepubliceerd, waaronder de Chinese standaard, de Society of Automotive Engineers (SAE) standaard, de International Electrotechnical Commission (IEC) standaard, de United Nations (UN) standaard, de Japanese Industrial Standard (JIS) en meer.

Over het algemeen leven we in een tijdperk dat wordt gedomineerd door elektronische apparaten, wat leidt tot een steeds grotere afhankelijkheid van lithiumbatterijen. Terwijl we streven naar meer efficiëntie en snelheid in onze technologieën, moeten we ervoor zorgen dat veiligheid een prioriteit blijft. Het recente ongeluk in Zuid‑Korea dient als een schrijnende herinnering aan het belang van dit evenwicht, en onderstreept de noodzaak om dergelijke ongelukkige incidenten in de toekomst te voorkomen.

Klik hier om meer te leren over de top tien batterijacties om in te investeren.