Vurderer sikkerheten og tilknyttede risikoer ved litiumbatterier på nytt – Er gel‑elektrolytter løsningen?

Etterspørselen etter litium‑ion‑batterier er satt til å øke i et fenomenalt tempo. Estimater viser at mellom 2022 og 2030, vil den globale etterspørselen etter disse batteriene øke så mye som syv ganger og nå 4,7 terawatt‑timer. 

Etterspørselen drives av den omfattende bruken av disse batteriene i bærbar elektronikk og energilagring, inkludert elektriske kjøretøy. Imidlertid er disse batteriene ikke risikofrie. De er utsatt for brann og eksplosjon. 

En løsning på disse sårbarhetene involverer halvtette batterier. De reduserer risikoen ved å finne et mellomstadium mellom tradisjonelle litium‑ion‑batterier med flytende elektrolytter og fast‑stoff‑batterier. 

En gel‑lignende elektrolytt, brukt som komponent, gir disse batteriene forbedret stabilitet og lengre levetid. Imidlertid kan disse gel‑elektrolyttene, på grunn av langvarig varmebehandling ved høye temperaturer, gjennomgå betydelig nedbrytning, noe som fører til redusert ytelse og økte produksjonskostnader. Fremstillingsprosessen for disse batteriene møter også en utfordring på grunn av grensesnittmotstanden mellom den halvtette elektrolytten og elektroden.

Nylig har professor Soojin Park, Seoha Nam, en PhD‑kandidat, og Dr. Hye Bin Son, forsker ved Institutt for kjemi ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH), utviklet levedyktige metoder for å takle disse utfordringene ved å lage et stabilt og kommersielt levedyktig gel‑elektrolytt‑basert batteri. 

I det kommende segmentet går vi dypere inn i forståelsen av batteriets mekanisme.

Sikker og kommersielt levedyktig gel‑elektrolytt for litiumbatterier

For å takle utfordringene med nedbrutte elektrolytter, redusert ytelse og økende kostnader, utnyttet forskerteamet bifunksjonelt kryss‑linkbart tilsetningsstoff (CIA) og dipentaerythritol heksakrylat (DPH) med elektronstråle‑teknologi. 

Forskerne gikk en annen vei enn den konvensjonelle produksjonsprosessen, som involverte elektrode‑forberedelse, elektrolytt‑injeksjon, montering, aktivering og avlufting. 

I stedet forbedret de DPHs dobbelte funksjonalitet ved å introdusere et ekstra e‑stråle‑irraderingssteg etter avluftingsprosessen. Samtidig fungerte CIA både som et tilsetningsstoff for å lette et stabilt grensesnitt mellom anode‑ og katodesurface under aktivering, og som en kryss‑linker for å danne en polymerstruktur under e‑stråle‑irraderingen.

Den resulterende løsningen kunne merkbart redusere gassdannelse fra batteriside‑reaksjoner under de første lade‑ og utladesykluser. Reduksjonen var så høy som 25,5‑fold sammenlignet med konvensjonelle batterier. Løsningen kunne også stabilt opprettholde grensesnittmotstanden på grunn av sterk kompatibilitet mellom elektroder og gel‑elektrolytt. 

Imidlertid stoppet ikke forskerne ved disse prestasjonene. De utviklet et høy‑kapasitetsbatteri på 1,2 ampere‑timer, som ble testet ved en temperatur på 55 °C – en temperatur hvor elektrolytter begynner å dekomponere. Ved 55 °C og høyere opplever konvensjonelle batterier som bruker elektrolytter betydelig kapasitetsreduksjon og oppblåsing etter 50 sykluser.

Det nye batteriet, derimot, kunne opprettholde en kapasitet på 1 ampere‑time selv etter 200 sykluser uten gassdannelse og viste forbedrede sikkerhets‑ og holdbarhetsstandarder. 

Mens han utdypet nytten av den vitenskapelige oppdagelsen, sa professor Soojin Park fra POSTECH:

«Denne prestasjonen innen stabilitet og kommersiell levedyktighet er på vei til å bli et gjennombrudd i elbilindustrien. Vi håper dette fremskrittet vil komme stor nytte ikke bare for elbiler, men også for et bredt spekter av andre applikasjoner som er avhengige av litium‑ion‑batterier.»

I de følgende segmentene vil vi kort se på noen av disse bruksområdene for litium‑ion‑batterier. 

Bruksområder for sikre litiumbatterier

Selv om de nylig har fått oppmerksomhet for sin bruk i elbiler, brukes litium‑ion‑batterier også trygt i et bredt spekter av andre applikasjoner. Flere av disse er integrerte deler av vårt daglige liv, og krever kommersiell levedyktighet og styrke. For eksempel er oppladbare litiumbatterier vanlige i pacemakere og må kunne betjene enheten i en typisk levetid på syv til åtte år samtidig som de holder vekten under 30 gram.

Digitale kameraer, spesielt DSLR‑er, er avhengige av litium‑ion‑batterier for sin kompakte størrelse og høye energikapasitet, som gir overlegen ytelse sammenlignet med andre batterityper. På samme måte er digitale assistenter, smarttelefoner og bærbare datamaskiner avhengige av disse trygge og pålitelige batteriene for sin holdbarhet, høye energitetthet, lette konstruksjon, enkel lading og lavkostnadsvedlikehold.

I tillegg brukes små Li‑ion‑batterier med en kapasitet på 3 volt i enheter så små som klokker, som kan vare i opptil et tiår. Disse batteriene driver også mobilitetsløsninger som personlige scootere, golfbiler og traller, takket være deres evne til effektivt å lagre og frigjøre elektrisk ladning. Denne egenskapen gjør dem ideelle for applikasjoner som UPS‑systemer, nødstrømbakgrunner og solenergilagring. Videre blir de i økende grad brukt i fremvoksende felt som marine- og fritidskjøretøy, samt bærbare medisinske enheter designet for bærbarhet.

Den økende bruken av litiumbatterier har ført til en økning i deres produksjon og fabrikasjon. Det er imidlertid avgjørende at disse prosessene er like trygge og levedyktige som selve batteriene. Denne bekymringen understrekes av den nylige tragiske brannen ved et sørkoreansk litiumbatterifabrikk, som resulterte i dødsfall for 22 arbeidere.

Klikk her for å lære hvordan batteriprodusenter kjemper for å møte den økende etterspørselen. 

Brann ved en sørkoreansk litiumbatterifabrikk

Den 24. juni brøt en ødeleggende brann ut på en litiumbatterifabrikk i Sør‑Korea, forårsaket av flere batterieksplosjoner, som resulterte i dødsfall for 22 arbeidere. Anlegget, som drives av den ledende batteriprodusenten Aricell, ligger i Hwaseong, et industriområde sørvest for Seoul.
Kort tid etter at brannen startet spredte giftig gass seg raskt gjennom fabrikken, som på den tiden lagret opptil 35 000 batterier.

«Batterimaterialer som nikkel er lett brannfarlige. Så ofte er det ikke nok tid til å reagere, sammenlignet med en brann forårsaket av andre materialer.»

Ekspertene påpekte også at antallet døde var høyere på grunn av de giftige materialene som ble brukt, og ikke så mye på grunn av brannskader.

Er slike hendelser forebyggbare?

Man må alltid være forsiktig når man håndterer litium‑ion‑batterier, da de har den høyeste volummetriske energitettheten blant energilagringsenheter. Occupational Safety and Health Administration (OSHA) har publisert detaljerte instruksjoner for å forebygge brann‑ og eksplosjonsskader fra små og bærbare litium‑batteridrevne enheter.

Massachusetts Institute of Technology, et av de mest anerkjente teknologiske utdanningsinstitusjonene i verden, har også publisert Lithium‑Ion Safety Guidance. I følge deres instruksjoner må ethvert arbeidsområde som håndterer disse batteriene ha overflater laget av ikke‑ledende og brannhemmende materialer.

Hvis man må arbeide på en ledende overflate, anbefales det å dekke den med et isolerende materiale. I tillegg bør området være fritt for brennbare eller lettantennelige materialer som trebord, tepper, bensin eller skarpe gjenstander som kan punktere den isolerende hylsen på cellene. Ideelle arbeidstemperaturer er mellom 15 og 35 °C, og omgivelsestemperaturen bør aldri overstige 60 °C.

Riktig lagring spiller en kritisk rolle i å redusere risikoen for brann og eksplosjon. Rapporten knytter mange litium‑ion‑batteribranner til utilstrekkelige lagringsområder. For å opprettholde de høyeste sikkerhetsstandardene må lagringsområdet ta hensyn til faktorer som celledesign, kjemi, temperatur, ladningsstatus og lagringsperiode.

Batteriproduksjonsanlegg må innføre strenge sikkerhetstiltak, da branner i litiumbatterifasiliteter kan være katastrofale ikke bare på grunn av selve brannen, men også på grunn av den resulterende toksisiteten.

Mens sikkerheten i produksjonen kan forbedres kontinuerlig, må batteriene også være iboende sikre. Noen selskaper har jevnlig investert i produksjon av sikre litiumbatterier. I de kommende segmentene vil vi undersøke slike selskaper.

#1. Panasonic Energy’s Lithium-ion Batteries

Panasonic er dedikert til å sikre batterisikkerhet etter hvert som batterikapasitetene øker, og fokuserer på å utvikle avanserte batterimaterialer, forbedre prosesser og skape kontrollteknologier for å garantere sikker og pålitelig batteribruk.

Batteriene deres har et høyt nivå av temperaturbestandighet, ettersom risikoen for eksplosjon øker når batterier varmes opp over 100 °C. Imidlertid erkjenner Panasonic at stable eller blanding av batterier kan forårsake eksterne kortslutninger, varmegenerering, brann eller eksplosjon.

Selskapet følger strenge håndterings‑ og lagringsretningslinjer, som forbyr at batteriterminaler berører hverandre eller andre metaller under pakking. Det bruker sterkt emballasjemateriale for å beskytte varene mot vibrasjon, støt, fall og stableing under transport. Panasonic anbefaler også strengt å lagre batterier ved romtemperatur og lade dem til omtrent 30‑50 % kapasitet.

Den produserer et utvalg av litiumbatteriprodukter, inkludert sylindriske batterier, prismatiske batterier, pose‑type batterier og pin‑type batterier.

Ifølge den siste tilgjengelige integrerte rapporten for konsernet registrerte selskapet en omsetning på 8 378,9 milliarder yen i 2023.

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions er et annet ledende globalt merke som opererer under veldefinerte retningslinjer for sin Li‑ion‑batteripakkeproduksjon. Det forbyr bruk av litium‑ion‑battericeller som har opplevd noen form for fall under pakkeproduksjon.

For å forhindre elektrisk kortslutning, bør litium‑ion‑battericeller holdes unna metallgjenstander og håndteres i miljøer som forhindrer skade eller forurensning.

I tillegg bør sveising ikke utføres direkte på overflaten av litium‑ion‑battericeller, og cellene bør ikke utsettes for intens varme eller trykk under sveiseprosessen.

I 2023 registrerte LG et salgsvolum på 84 228 milliarder KRW, som var en marginal økning fra 2022s 83 467 milliarder KRW, men en betydelig økning fra 73 908 milliarder KRW i 2021.

Sikkerhetsbekymringer ved litium‑ion‑batterier: En omfattende gjennomgang

Forskning som grundig undersøkte sikkerhetsbekymringer ved Li‑ion‑batterier pekte på flere potensielle problemer som kan oppstå som en trussel eller risiko. 

Termiske løp, som er blant de mest skadelige sikkerhetsproblemene i Li‑ion‑batterier, oppstår fra side‑reaksjoner. Disse reaksjonene kan forekomme innenfor elektrolytten, mellom katode og anode, og ved grensesnittene på elektrodeoverflater og Li‑avsetning. Slike løp utløses ofte av mekanisk, termisk eller elektrisk misbruk.

Mekanisk misbruk kan føre til sikkerhetsproblemer i Li‑ion‑batterier, akkurat som elektrisk misbruk kan kompromittere deres integritet. På samme måte utgjør termisk misbruk, hvor et batteri gjennomgår termisk sjokk eller når ekstremt høye temperaturer, også betydelige risikoer.

Forskningen skisserer også strategier for å forbedre sikkerheten, både internt og eksternt. Et avgjørende element for å forbedre sikkerheten til Li‑ion‑batterier (LIB) er et velutformet innebygd kjølesystem. I tillegg er det viktig å opprettholde riktig balanse mellom celler; dette innebærer å måle og sammenligne spenninger, kapasiteter eller ladningsnivåer (SOC) for alle celler etter hver lade‑syklus.

Produsenter kan følge flere rammeverk for å sikre produksjonssikkerhet. Faktisk har en rekke land allerede publisert slike standarder, inkludert den kinesiske standarden, Society of Automotive Engineers (SAE)-standarden, International Electrotechnical Commission (IEC)-standarden, United Nations (UN)-standarden, Japanese Industrial Standard (JIS) og flere.

Alt i alt lever vi i en tid dominert av elektroniske enheter, noe som fører til en stadig økende avhengighet av litiumbatterier. Etter hvert som vi søker større effektivitet og hastighet i teknologiene våre, må vi sikre at sikkerhet forblir en prioritet. Den nylige hendelsen i Sør‑Korea fungerer som en kraftig påminnelse om viktigheten av denne balansen, og understreker behovet for å forhindre slike uheldige hendelser i fremtiden.

Klikk her for å lære om de ti beste batteriaktiene å investere i.