Ompröva säkerheten och de associerade riskerna med litiumbatterier – Är gel‑elektrolyter lösningen?

Efterfrågan på litiumjonbatterier förväntas öka i en fenomenal takt. Uppskattningar visar att mellan 2022 och 2030, kommer den globala efterfrågan på dessa batterier att öka upp till sju gånger och nå 4,7 terawattimmar. 

Efterfrågan drivs av den omfattande användningen av dessa batterier i bärbar elektronik och energilagring, inklusive elfordon. Dock är dessa batterier inte riskfria. De är sårbara för brand och explosion. 

En lösning på dessa sårbarheter involverar halvflytande batterier. De minskar riskerna genom att hitta en mellanställning mellan traditionella litiumjonbatterier med flytande elektrolyter och fasttillståndsbatterier. 

En gel‑liknande elektrolyt, som används som komponent, hjälper dessa batterier att få förbättrad stabilitet och längre livslängd. Dock kan dessa gel‑elektrolyter, på grund av deras långa värmebehandling vid höga temperaturer, genomgå betydande nedbrytning, vilket resulterar i försämrad prestanda och ökade tillverkningskostnader. Tillverkningsprocessen för att producera dessa batterier möter också en utmaning på grund av gränssnittsmotståndet mellan den halvflytande elektrolyten och elektroden. 

Nyligen har professor Soojin Park, Seoha Nam, en doktorand, och Dr Hye Bin Son, forskare vid kemiska institutionen på Pohang University of Science and Technology (POSTECH), utvecklat genomförbara metoder för att tackla dessa utmaningar genom att skapa ett stabilt och kommersiellt gångbart gel‑elektrolyt‑baserat batteri. 

I det kommande avsnittet fördjupar vi oss i förståelsen av batteriets mekanism.

Säker och kommersiellt gångbar gel‑elektrolyt för litiumbatterier

För att tackla utmaningarna med nedbrutna elektrolyter, minskad prestanda och stigande kostnader utnyttjade forskarteamet bifunktionell korslänkande tillsats (CIA) och dipentaerythritol hexaacrylat (DPH) med elektronstråle‑ (e‑beam) teknik. 

Forskarnas tillvägagångssätt skiljde sig från den konventionella tillverkningsprocessen, som innefattade elektrodberedning, elektrolyttillsats, montering, aktivering och avgasning. 

Istället förbättrade de DPH:s dubbla funktionalitet genom att införa ett extra e‑beam‑irradiationssteg efter avgasningsprocessen. Samtidigt fungerade CIA både som en tillsats för att underlätta ett stabilt gränssnitt mellan anod‑ och katodytor under aktivering och som en korslänkare för att bilda en polymerstruktur under e‑beam‑irradiationen.

Den resulterande lösningen kunde avsevärt minska gasbildning från batterisidreaktioner under de initiala laddnings‑ och urladdningsprocesserna. Minskningen var så hög som 25,5‑fald jämfört med konventionella batterier. Lösningen kunde också stabilt upprätthålla gränssnittsmotstånd tack vare stark kompatibilitet mellan elektroderna och gel‑elektrolyten. 

Forskarnas arbete slutade dock inte vid dessa framsteg. De utvecklade ett högkapacitetsbatteri på 1,2 ampere‑timmar, som testades vid en temperatur på 55 °C – en temperatur där elektrolyter börjar brytas ner. Vid 55 °C och högre upplever konventionella batterier som använder elektrolyter betydande kapacitetsreduktion och svullnad efter 50 cykler.

Det nya batteriet, däremot, kunde behålla en kapacitet på 1 ampere‑timme även efter 200 cykler utan att generera gas och visade förbättrade säkerhets‑ och hållbarhetsstandarder. 

När professor Soojin Park från POSTECH förklarade nyttan av den vetenskapliga upptäckten sade han:

“Denna prestation i stabilitet och kommersiell genomförbarhet är på väg att bli ett genombrott inom elfordonsindustrin. Vi hoppas att detta framsteg kommer att gynna inte bara elfordon utan även ett brett spektrum av andra tillämpningar som är beroende av litiumjonbatterier.”

I de följande avsnitten kommer vi kort att titta på några sådana tillämpningar av litiumjonbatterier. 

Tillämpning av säkra litiumbatterier

Även om de nyligen har fått uppmärksamhet för sin användning i elfordon, används litiumjonbatterier också säkert i ett brett spektrum av andra tillämpningar. Flera av dessa tillämpningar är integrerade delar av vårt dagliga liv och kräver kommersiell genomförbarhet och styrka. Till exempel är uppladdningsbara litiumbatterier vanliga i pacemakers och måste klara en typisk livslängd på sju till åtta år samtidigt som de hålls under 30 gram i vikt.

Digitalkameror, särskilt DSLR‑kameror, förlitar sig på litiumjonbatterier för sin kompakta storlek och höga effektkapacitet, vilket ger överlägsen prestanda jämfört med andra batterityper. På samma sätt är digitala assistenter, smartphones och bärbara datorer beroende av dessa säkra och pålitliga batterier för sin hållbarhet, höga energitäthet, lätta konstruktion, enkla laddning och låga underhållskostnader.

Vidare används små Li‑ion‑batterier med en kapacitet på 3 volt i enheter så små som klockor, som kan hålla i upp till ett decennium. Dessa batterier driver också mobilitetslösningar som personliga scootrar, golfbilar och vagnar, tack vare deras förmåga att effektivt lagra och frigöra elektrisk laddning. Denna kapacitet gör dem idealiska för tillämpningar såsom UPS‑system, nödkraftbackup och solenergilagring. Dessutom används de i ökande grad inom framväxande områden som marina och fritidsfordon samt bärbara medicinska enheter avsedda för bärbarhet.

Den ökande antagandet av litiumbatterier har drivit en ökning i deras produktion och tillverkning. Det är dock avgörande att dessa processer är lika säkra och genomförbara som själva batterierna. Detta bekymmer understryks av den nyliga tragiska branden vid en sydkoreansk litiumbatterianläggning, som resulterade i 22 döda arbetare.

Klicka här för att lära dig hur batteritillverkare kämpar för att möta den växande efterfrågan. 

Brand vid en sydkoreansk litiumbatterianläggning

Den 24 juni bröt en förödande brand ut vid en litiumbatterifabrik i Sydkorea, orsakad av flera batteriexplosioner, vilket resulterade i 22 döda arbetare. Anläggningen, som drivs av den ledande batteritillverkaren Aricell, ligger i Hwaseong, ett industriområde sydväst om Seoul.

Kort efter att branden startade spreds giftig gas snabbt genom fabriken, som då lagrade upp till 35 000 batterier. För att förklara den möjliga orsaken till att branden blev så dödlig, hade Kim Jae‑ho, professor i brand‑ och katastrofprevention vid Daejeon University, följande att säga:

“Batterimaterial som nickel är lättantändliga. Så ofta finns det inte tillräckligt med tid att reagera, jämfört med en brand orsakad av andra material.”

Experterna pekade också på att antalet döda var högre på grund av de giftiga material som användes och inte så mycket på grund av brännskadorna. 

Är sådana händelser förebyggbara?

Man måste alltid vara försiktig när man hanterar litiumjonbatterier, eftersom de har den högsta volymetriska energitätheten bland energilagringsenheter. Occupational Safety and Health Administration (OSHA) har publicerat detaljerade instruktioner för att förhindra brand‑ och explosionsskador från små och bärbara litiumbatteridrivna enheter.

Massachusetts Institute of Technology, ett av de mest ansedda tekniska utbildningsinstituten i världen, har också publicerat Lithium‑Ion Safety Guidance. Enligt deras instruktioner måste alla arbetsområden som hanterar dessa batterier ha ytor av icke‑ledande och brandsäkra material.

Om man måste arbeta på en ledande yta, rekommenderas att täcka den med ett isolerande material. Dessutom bör området vara fritt från brandfarliga eller brännbara material såsom träbord, mattor, bensin eller vassa föremål som kan punktera den isolerande manteln på cellerna. De bästa arbetstemperaturerna är mellan 15 och 35 °C, och omgivningstemperaturen får aldrig överstiga 60 °C.

Korrekt lagring spelar en kritisk roll för att minska risken för brand och explosion. Rapporten kopplar många litiumjonbatteribränder till otillräckliga lagringsområden. För att upprätthålla de högsta säkerhetsstandarderna måste lagringsområdet beakta faktorer som cellens design, kemi, temperatur, laddningsstatus och lagringstidens längd.

Tillverkningsenheter för batterier måste anta strikta säkerhetsåtgärder, eftersom bränder i litiumbatterianläggningar kan vara katastrofala inte bara på grund av själva branden utan också på grund av den resulterande toxiciteten.

Även om säkerheten i tillverkning kan förbättras kontinuerligt, måste batterier också vara inneboende säkra. Vissa företag har stadigt investerat i produktionen av säkra litiumbatterier. I de kommande avsnitten kommer vi att granska sådana företag.

#1. Panasonic Energy’s Lithium-ion Batteries

Panasonic är dedikerat till att säkerställa batterisäkerhet i takt med att batterikapaciteten ökar och fokuserar på att utveckla avancerade batterimaterial, förfina processer och skapa kontrollteknologier för att garantera säker och pålitlig batterianvändning.

Dess batterier har en hög temperaturtålighet, eftersom risken för explosion ökar när batterier värms upp över 100 °C. Panasonic inser dock att stapling eller blandning av batterier kan orsaka externa kortslutningar, värmeutveckling, brand eller explosion.

Företaget följer strikta hanterings‑ och lagringsriktlinjer, som förbjuder att batteriterminaler kommer i kontakt med varandra eller andra metaller under förpackning. Det använder starkt förpackningsmaterial för att skydda varorna mot vibration, stöt, fall och stapling under transport. Panasonic rekommenderar också strikt att lagra batterier vid rumstemperatur och ladda dem till cirka 30‑50 % kapacitet.

Det producerar ett sortiment av litiumbatteriprodukter, inklusive cylindriska batterier, prismatiska batterier, påse‑typ batterier och nål‑typ batterier.

Enligt den senaste tillgängliga integrerade rapporten för koncernen registrerade företaget en omsättning på 8 378,9 miljarder yen år 2023. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions är ett annat ledande globalt varumärke som arbetar enligt väl utarbetade riktlinjer för sin Li‑ion‑batteripackstillverkning. Det förbjuder användning av Li‑ion‑battericeller som har upplevt någon form av fall för packtillverkning.

För att förhindra elektrisk kortslutning, bör Li‑ion‑battericeller hållas borta från metallföremål och hanteras i miljöer som förhindrar skador eller kontaminering.

Dessutom bör svetsning inte utföras direkt på ytan av Li‑ion‑battericeller, och cellerna bör inte utsättas för intensiv värme eller tryck under svetsprocessen.

År 2023 registrerade LG en försäljningsvolym på 84 228 bn KRW, vilket var en ökning jämfört med 2022:s 83 467 bn KRW men en betydande ökning från 73 908 bn KRW år 2021.

Säkerhetsfrågor kring litiumjonbatterier: En omfattande översikt

Forskning som omfattande undersökte säkerhetsfrågor kring Li‑ion‑batterier pekade på flera potentiella problem som kan uppstå som ett hot eller innebära en risk. 

Termiska rusningar, som är bland de mest skadliga säkerhetsproblemen i Li‑ion‑batterier, uppstår från sidoreaktioner. Dessa reaktioner kan ske inom elektrolyten, mellan katod och anod, samt vid gränssnitten på elektrodytor och Li‑plätering. Sådana rusningar utlöses ofta av mekanisk, termisk eller elektrisk missbruk.

Mekaniskt missbruk kan leda till säkerhetsproblem i Li‑ion‑batterier, precis som elektriskt missbruk kan kompromettera deras integritet. På samma sätt innebär termiskt missbruk, där ett batteri utsätts för termisk chock eller når extremt höga temperaturer, också betydande risker.

Forskningen beskriver också strategier för att förbättra säkerheten, både internt och externt. En avgörande faktor för att förbättra Li‑ion‑batteriers (LIB) säkerhet är ett välutformat inbyggt kylsystem. Dessutom är det viktigt att upprätthålla rätt balans mellan cellerna; detta innebär att mäta och jämföra spänningar, kapaciteter eller laddningsstatus (SOC) för alla celler efter varje laddningscykel.

Tillverkare kan följa flera ramverk för att säkerställa produktionens säkerhet. Faktum är att ett flertal länder redan har publicerat sådana standarder, inklusive den kinesiska standarden, Society of Automotive Engineers (SAE)-standarden, International Electrotechnical Commission (IEC)-standarden, United Nations (UN)-standarden, Japanese Industrial Standard (JIS) och fler.

Sammanfattningsvis lever vi i en tid dominerad av elektroniska prylar, vilket leder till ett ständigt ökande beroende av litiumbatterier. När vi strävar efter större effektivitet och snabbare teknik måste vi säkerställa att säkerheten förblir en prioritet. Den senaste olyckan i Sydkorea fungerar som en tydlig påminnelse om vikten av denna balans, vilket understryker behovet av att förhindra sådana olyckliga incidenter i framtiden.

Klicka här för att lära dig om de tio bästa batteriaktierna att investera i.