Muling Pagsusuri sa Kaligtasan at mga Kaugnay na Panganib ng mga Lithium Battery – Ang Gel Electrolytes ba ang Solusyon?

Ang demand para sa mga Lithium-ion battery ay nakatakdang tumaas nang napakabilis. Tinatayang magpapakita na sa pagitan ng 2022 at 2030, ang pandaigdigang demand para sa mga bateryang ito ay tataas ng hanggang pitong beses upang maabot ang 4.7 terawatt oras. 

Ang demand ay pinapalakas ng malawak na paggamit ng mga bateryang ito sa mga portable na elektronikong aparato at imbakan ng enerhiya, kabilang ang mga electric vehicle. Gayunpaman, ang mga bateryang ito ay hindi walang panganib. Sila ay madaling magliyab at sumabog. 

Isang solusyon sa mga kahinaang ito ay ang semi-solid na mga baterya. Binabawasan nila ang panganib sa pamamagitan ng pagkuha ng gitnang daan sa pagitan ng tradisyonal na lithium-ion na baterya na may likidong electrolyte at ng solid-state na mga baterya. 

Ang gel-like na electrolyte, na ginagamit bilang sangkap, ay tumutulong sa mga bateryang ito na magkaroon ng pinahusay na katatagan at mas mahabang buhay. Gayunpaman, dahil sa matagal na pag-init sa mataas na temperatura, ang mga gel electrolyte ay maaaring sumailalim sa makabuluhang degradasyon, na nagreresulta sa pagbaba ng pagganap at pagtaas ng gastos sa paggawa. Ang proseso ng paggawa ng mga bateryang ito ay nahaharap din sa hamon dahil sa resistensya sa interface sa pagitan ng semi-solid electrolyte at electrode. 

Kamakailan, sina Propesor Soojin Park, Seoha Nam, isang PhD candidate, at Dr. Hye Bin Son, isang mananaliksik sa Department of Chemistry ng Pohang University of Science and Technology (POSTECH), ay nakabuo ng mga praktikal na paraan upang harapin ang mga hamong ito sa pamamagitan ng paglikha ng isang matatag at komersyal na magagamit na baterya na may gel electrolyte. 

Sa susunod na bahagi, mas malalim naming susuriin ang mekanismo ng baterya.

Ligtas at Komersyal na Magagamit na Gel Electrolyte para sa mga Lithium Battery

Sa pagharap sa mga hamon ng nabubulok na electrolyte, bumababa ang pagganap, at tumataas ang gastos, ginamit ng pangkat ng mga mananaliksik ang bifunctional cross‑linkable additive (CIA) at dipentaerythritol hexaacrylate (DPH) kasama ang electron beam (e‑beam) technology. 

Ang mga mananaliksik ay lumihis mula sa karaniwang proseso ng paggawa, na kinabibilangan ng paghahanda ng electrode, pag-inject ng electrolyte, pag-assemble, activation, at degassing. 

Sa halip, pinahusay nila ang dual functionality ng DPH sa pamamagitan ng pagdaragdag ng karagdagang hakbang ng e‑beam irradiation pagkatapos ng proseso ng degassing. Samantala, ang CIA ay nagsilbing additive upang mapadali ang matatag na interface sa pagitan ng anode at cathode surfaces sa panahon ng activation at nagsilbing crosslinker upang bumuo ng polymer structure sa panahon ng e‑beam irradiation. 

Ang nabuong solusyon ay maaaring makabuluhang mabawasan ang pagbuo ng gas mula sa mga side reaction ng baterya sa mga unang proseso ng pag-charge at pag-discharge. Ang pagbaba ay umabot hanggang 25.5‑fold kumpara sa mga karaniwang baterya. Ang solusyon ay maaari ring panatilihin nang matatag ang interfacial resistance dahil sa matibay na compatibility sa pagitan ng mga electrode at ng gel electrolyte. 

Gayunpaman, hindi tumigil ang mga mananaliksik sa mga tagumpay na ito. Binuo nila ang isang high‑capacity na baterya na 1.2 ampere‑hours, na sinubukan sa temperatura na 55 degrees Celsius—isang temperatura kung saan nagsisimula nang masira ang mga electrolyte. Sa 55 degrees Celsius pataas, ang mga karaniwang baterya na gumagamit ng mga electrolyte ay nakararanas ng malaking pagbaba ng kapasidad at pamamaga pagkatapos ng 50 na cycle.

Ang bagong baterya, sa kabilang banda, ay nakayanan ang 1 Ampere‑hour capacity kahit pagkatapos ng 200 na cycle nang hindi lumilikha ng gas at nagpakita ng pinahusay na kaligtasan at tibay. 

Habang ipinapaliwanag ang kahalagahan ng siyentipikong tuklas, sinabi ni Propesor Soojin Park ng POSTECH:

“Ang tagumpay na ito sa katatagan at komersyal na pagiging magagamit ay handang magdala ng malaking pagbabago sa industriya ng mga electric vehicle. Inaasahan naming ang pag-unlad na ito ay makikinabang hindi lamang sa mga electric vehicle kundi pati na rin sa napakaraming iba pang aplikasyon na umaasa sa mga lithium‑ion battery.”

Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin nang mabilis ang ilang mga aplikasyon ng mga lithium‑ion battery. 

Ang Mga Aplikasyon ng Ligtas na Lithium Battery

Bagaman kamakailan lamang ay nakakuha ng pansin para sa paggamit sa mga electric vehicle, ang mga lithium‑ion battery ay ligtas ding ginagamit sa napakaraming iba pang aplikasyon. Marami sa mga aplikasyon na ito ay bahagi ng ating pang-araw‑araw na buhay, na nangangailangan ng komersyal na pagiging magagamit at tibay. Halimbawa, ang mga rechargeable lithium battery ay karaniwan sa mga pacemaker at kailangang maglingkod sa aparato sa karaniwang haba ng buhay na pito hanggang walong taon habang nananatiling mababa ang timbang na hindi hihigit sa 30 gramo.

Ang mga digital camera, partikular ang mga DSLR, ay umaasa sa mga lithium‑ion battery para sa kanilang compact na sukat at mataas na power capacity, na nagbibigay ng mas mahusay na pagganap kumpara sa ibang uri ng baterya. Gayundin, ang mga digital assistant, smartphone, at laptop ay umaasa sa mga ligtas at maaasahang bateryang ito para sa kanilang tibay, mataas na energy density, magaan na konstruksyon, madaling pag‑charge, at mababang gastusin sa pagpapanatili.

Higit pa rito, ang maliliit na Li‑ion battery na may 3‑volt capacity ay ginagamit sa mga aparato na kasing liit ng mga relo, na maaaring tumagal ng hanggang isang dekada. Ang mga bateryang ito ay nagbibigay din ng enerhiya sa mga solusyon sa mobilidad tulad ng personal scooters, golf cart, at trolley, salamat sa kanilang kakayahang epektibong mag‑imbak at mag‑labas ng kuryente. Ang kakayahang ito ay ginagawang perpekto para sa mga aplikasyon tulad ng UPS system, emergency power backup, at solar energy storage. Dagdag pa, sila ay patuloy na ginagamit sa mga umuusbong na larangan tulad ng mga sasakyan sa dagat at libangan, pati na rin sa mga portable na medikal na aparato na dinisenyo para sa pagsusuot.

Ang patuloy na pag‑adopt ng mga lithium battery ay nagdulot ng pagtaas sa kanilang produksyon at pagmamanupaktura. Gayunpaman, mahalaga na ang mga prosesong ito ay kasing ligtas at magagamit tulad ng mismong mga baterya. Ang alalahaning ito ay binigyang-diin ng kamakailang trahedyang sunog sa isang pasilidad ng lithium battery sa South Korea, na nagresulta sa pagkamatay ng 22 manggagawa.

I‑click dito upang malaman kung paano nagsusumikap ang mga gumagawa ng baterya na matugunan ang lumalaking pangangailangan. 

Sunog sa Isang Pabrika ng Lithium Battery sa South Korea

Noong Hunyo 24, isang mapaminsalang sunog ang sumiklab sa isang pabrika ng lithium battery sa South Korea, sanhi ng maramihang pagsabog ng mga baterya, na nagresulta sa pagkamatay ng 22 manggagawa. Ang pasilidad, na pinamamahalaan ng pangunahing tagagawa ng baterya na si Aricell, ay matatagpuan sa Hwaseong, isang industriyal na lugar sa timog-kanluran ng Seoul.

Mabilis na kumalat ang nakalalasong gas sa buong pabrika matapos magsimula ang sunog, na nag-iimbak ng hanggang 35,000 na baterya noong panahong iyon. Ipinapaliwanag ni Kim Jae‑ho, propesor ng Fire and Disaster Prevention sa Daejeon University, ang posibleng dahilan kung bakit naging napakalubha ng sunog:

“Ang mga materyales ng baterya tulad ng nickel ay madaling magliyab. Kaya madalas, hindi sapat ang oras para tumugon, kumpara sa sunog na sanhi ng ibang materyales.”

Itinuro rin ng mga eksperto na mas mataas ang bilang ng nasawi dahil sa mga nakalalasong materyales na ginamit at hindi lamang dahil sa paso. 

Maaaring Maiwasan ba ang mga Ganitong Insidente?

Dapat laging mag‑ingat kapag humahawak ng mga lithium‑ion battery, dahil mayroon silang pinakamataas na volumetric energy density sa mga aparato ng imbakan ng enerhiya. Ang Occupational Safety and Health Administration (OSHA) ay naglathala ng detalyadong mga tagubilin sa pag-iwas sa pinsala dulot ng sunog at pagsabog mula sa maliliit at nasusuot na mga aparato na pinapagana ng lithium battery.

Ang Massachusetts Institute of Technology, isa sa pinaka‑kagalang-galang na institusyon sa teknolohiyang edukasyon sa mundo, ay naglathala rin ng Lithium‑Ion Safety Guidance. Ayon sa kanilang mga tagubilin, anumang lugar ng trabaho na humahawak ng mga bateryang ito ay dapat may mga ibabaw na gawa sa hindi konduktibo at fireproof na materyales.

Kung kailangang magtrabaho sa isang conductive na ibabaw, inirerekomenda itong takpan ng insulating material. Dagdag pa, dapat walang mga nasusunog o madaling masunog na materyales tulad ng mga kahoy na mesa, carpet, gasolina, o matutulis na bagay na maaaring makasugat sa insulating sleeve ng mga selula. Ang pinakamainam na temperatura ng trabaho ay nasa pagitan ng 15 at 35 degrees Celsius, at ang ambient temperature ay hindi dapat lumagpas sa 60 degrees.

Ang wastong pag‑imbak ay may kritikal na papel sa pagbawas ng panganib ng sunog at pagsabog. Maraming ulat ang nag-uugnay ng sunog ng lithium‑ion battery sa hindi angkop na mga lugar ng imbakan. Upang mapanatili ang pinakamataas na pamantayan ng kaligtasan, ang lugar ng imbakan ay dapat isaalang‑alang ang disenyo ng selula, kimika, temperatura, estado ng charge, at haba ng panahon ng imbakan.

Ang mga yunit ng pagmamanupaktura ng baterya ay dapat magpatupad ng mahigpit na mga hakbang sa seguridad, dahil ang mga sunog sa mga pasilidad ng lithium battery ay maaaring magdulot ng kalamidad hindi lamang dahil sa sunog mismo kundi pati na rin sa nagreresultang toxicity.

Habang ang seguridad sa pagmamanupaktura ay maaaring patuloy na mapabuti, dapat ding likas na ligtas ang mga baterya. Ang ilang kumpanya ay patuloy na namumuhunan sa produksyon ng ligtas na lithium battery. Sa mga susunod na bahagi, susuriin natin ang mga kumpanyang ito.

#1. Panasonic Energy’s Lithium-ion Batteries

Ang Panasonic ay nakatuon sa pagtiyak ng kaligtasan ng baterya habang lumalaki ang kapasidad ng mga ito at nakatuon sa pag‑debelop ng mga advanced na materyales ng baterya, pagpapabuti ng mga proseso, at paglikha ng mga kontrol na teknolohiya upang matiyak ang ligtas at maaasahang paggamit ng baterya.

Ang mga baterya nito ay may mataas na antas ng kakayahang tiisin ang init, dahil tumataas ang panganib ng pagsabog kapag ang mga baterya ay pinainit ng higit sa 100 degrees Celsius. Gayunpaman, kinikilala ng Panasonic na ang pag‑stack o pag‑jumble ng mga baterya ay maaaring magdulot ng external short circuit, pag‑init, sunog, o pagsabog.

Sinusunod ng kumpanya ang mahigpit na mga alituntunin sa paghawak at pag‑imbak, hindi pinapayagan ang mga terminal ng baterya na mag‑contact sa isa’t isa o sa ibang metal sa panahon ng pag‑pack. Gumagamit ito ng matibay na materyal sa pag‑pack upang protektahan ang mga produkto mula sa vibration, impact, pagbagsak, at pag‑stack sa panahon ng transportasyon. Mahigpit ding inirerekomenda ng Panasonic na itago ang mga baterya sa room temperature at i‑charge ito sa humigit‑kumulang 30‑50% na kapasidad.

Nagpo‑produce ito ng iba’t ibang uri ng lithium battery products, kabilang ang cylindrical batteries, prismatic batteries, pouch‑type batteries, at pin‑type batteries.

Ayon sa pinakabagong available integrated report para sa grupo, nagrehistro ang kumpanya ng kita na 8,378.9 bilyong yen noong 2023. 

#2. LG Energy Solutions

Ang LG Energy Solutions ay isa pang nangungunang global na brand na sumusunod sa maayos na mga alituntunin para sa paggawa ng Li‑ion battery pack. Ipinagbabawal nito ang paggamit ng Lithium‑ion Battery Cells na naranasan ang anumang pagbagsak para sa paggawa ng pack.

Upang maiwasan ang electrical shorting, ang mga Lithium‑ion Battery Cells ay dapat ilayo sa mga metal na bagay at hawakan sa mga kapaligiran na pumipigil sa pinsala o kontaminasyon.

Bukod pa rito, hindi dapat direktang i‑weld ang ibabaw ng mga Lithium‑ion Battery Cells, at ang mga sel ay hindi dapat ma‑expose sa matinding init o pressure sa panahon ng welding process.

Noong 2023, nagrehistro ang LG ng sales volume na 84,228 bn KRW, na isang pagtaas mula sa 83,467 bn KRW noong 2022 ngunit isang makabuluhang pagtaas mula sa 73,908 bn KRW noong 2021.

Mga Alalahanin sa Kaligtasan ng Lithium-ion Battery: Isang Komprehensibong Pagsusuri

Ang pananaliksik na masusing nagsuri sa mga alalahanin sa kaligtasan ng Li‑ion battery ay nagturo sa ilang potensyal na isyu na maaaring maging banta o magdulot ng panganib. 

Ang thermal runaways, na kabilang sa pinaka‑mapaminsalang isyu sa kaligtasan ng Li‑ion battery, ay nagmumula sa mga side reaction. Ang mga reaksyong ito ay maaaring mangyari sa loob ng electrolyte, sa pagitan ng cathode at anode, at sa mga interface sa ibabaw ng electrode at Li plating. Ang mga runaways na ito ay kadalasang na-trigger ng mechanical, thermal, o electrical abuse.

Ang mechanical abuse ay maaaring magdulot ng mga isyu sa kaligtasan ng Li‑ion battery, gayundin ang electrical abuse na maaaring makompromiso ang integridad nito. Katulad nito, ang thermal abuse, kung saan ang baterya ay sumasailalim sa thermal shock o umaabot sa labis na mataas na temperatura, ay nagdudulot din ng malaking panganib.

Inilalahad din ng pananaliksik ang mga estratehiya para mapabuti ang kaligtasan, kapwa sa loob at labas. Isang mahalagang elemento para mapabuti ang kaligtasan ng Li‑ion battery (LIB) ay ang maayos na dinisenyong built‑in cooling system. Bukod dito, mahalaga ang pagpapanatili ng tamang balanse sa pagitan ng mga sel; ito ay kinabibilangan ng pagsukat at paghahambing ng mga boltahe, kapasidad, o State of Charges (SOCs) ng lahat ng sel pagkatapos ng bawat charging cycle.

Maaaring sundan ng mga manufacturer ang ilang mga framework upang matiyak ang kaligtasan ng produksyon. Sa katunayan, maraming bansa na ang naglathala ng mga pamantayang ito, kabilang ang Chinese Standard, ang Society of Automotive Engineers (SAE) standard, ang International Electrotechnical Commission (IEC) standard, ang United Nations (UN) standard, ang Japanese Industrial Standard (JIS), at iba pa.

Sa kabuuan, nabubuhay tayo sa isang panahon na dominado ng mga elektronikong gadget, na nagdudulot ng patuloy na pagtaas ng pag‑asa sa mga lithium battery. Habang hinahangad natin ang mas mataas na kahusayan at bilis sa ating mga teknolohiya, dapat nating tiyakin na ang kaligtasan ay nananatiling prayoridad. Ang kamakailang insidente sa South Korea ay nagsilbing malinaw na paalala sa kahalagahan ng balanse na ito, na binibigyang-diin ang pangangailangang maiwasan ang ganitong mga hindi kanais‑nais na pangyayari sa hinaharap.

I‑click dito upang malaman ang sampung nangungunang battery stocks na maaaring pag‑investan.