Sviluppo di un elettrolita non infiammabile per prevenire la fuga termica nel litio

Adattare la struttura molecolare dei carbonati organici negli elettroliti commerciali riduce il rischio di incendio delle batterie. Gli elettroliti non fluorurati e non infiammabili rappresentano una via praticabile per ottenere batterie ad alte prestazioni termicamente stabili.

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Il presidente del Korea Institute of Science and Technology (KIST) Seok-Jin Yoon ha annunciato che un gruppo di ricerca collaborativa guidato dal Dr. Minah Lee del Centro di ricerca sull'immagazzinamento dell'energia, dal professor Dong-Hwa Seo del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ) e i dott. Yong-Jin Kim e Jayeon Baek del Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) hanno sviluppato un elettrolita non infiammabile che non prende fuoco a temperatura ambiente adattando la struttura molecolare del carbonato organico lineare per prevenire incendi e instabilità termica nelle batterie agli ioni di litio .

Credito: Istituto coreano di scienza e tecnologia

Con l’espansione dell’uso di batterie agli ioni di litio su media e larga scala nei veicoli elettrici e nei sistemi di stoccaggio dell’energia (ESS), crescono le preoccupazioni per incendi ed esplosioni. Gli incendi nelle batterie si verificano quando le batterie vengono cortocircuitate a causa di impatti esterni, abuso o invecchiamento e il fenomeno di fuga termica accompagnato da reazioni esotermiche seriali rende difficile l'estinzione dell'incendio e comporta un alto rischio di lesioni personali. In particolare, il carbonato organico lineare utilizzato negli elettroliti commerciali per le batterie agli ioni di litio ha un basso punto di infiammabilità e si incendia facilmente anche a temperatura ambiente, causa diretta di accensione.

Fino ad ora, al fine di ridurre l'infiammabilità dell'elettrolita, è stata ampiamente adottata la fluorurazione intensiva nelle molecole di solvente o nei sali altamente concentrati. Di conseguenza, il trasporto degli ioni di litio nell’elettrolita era ridotto o questi erano incompatibili con gli elettrodi commerciali, limitandone la commercializzazione.

(A sinistra) Elettrolita di una batteria commerciale agli ioni di litio (DEC) e un nuovo elettrolita (BMEC) sviluppato da un gruppo di ricerca congiunto di KIST, KITECH e KAIST (a destra).

Applicando simultaneamente l'estensione della catena alchilica e la sostituzione alcossilica alla molecola di dietil carbonato (DEC), un tipico carbonato organico lineare utilizzato negli elettroliti commerciali delle batterie agli ioni di litio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo elettrolita, il bis (2-metossietil) carbonato (BMEC), con punto di infiammabilità e conduttività ionica migliorati aumentando le interazioni intermolecolari e la capacità di solvatazione. La soluzione BMEC ha un punto di infiammabilità di 121°C, che è 90°C superiore a quello della soluzione DEC convenzionale, e quindi non è infiammabile nell'intervallo di temperature per il funzionamento convenzionale della batteria. BMEC può dissociare il sale di litio in modo più forte della sua semplice controparte alchilata, il dibutil carbonato (DBC), risolvendo il problema del trasporto più lento degli ioni di litio quando si riduce l'infiammabilità aumentando l'interazione intermolecolare. Di conseguenza, conserva più del 92% della capacità di velocità originale dell'elettrolita convenzionale riducendo significativamente i rischi di incendio.

Inoltre, il nuovo elettrolita ha ridotto del 37% lo sviluppo di gas combustibile e il 62% della generazione di calore rispetto all'elettrolita convenzionale. Il gruppo di ricerca ha dimostrato il funzionamento stabile delle batterie agli ioni di litio da 1 Ah oltre 500 cicli combinando il nuovo elettrolita con un catodo ad alto contenuto di nichel e un anodo di grafite. Hanno anche condotto un test di penetrazione dei chiodi su una batteria agli ioni di litio da 4 Ah carica al 70% e hanno confermato la fuga termica soppressa.

Il Dr. Minah Lee del KIST ha dichiarato: "I risultati di questa ricerca forniscono una nuova direzione per la progettazione di elettroliti non infiammabili, di cui sono state inevitabilmente sacrificate le proprietà elettrochimiche o la fattibilità economica". “L’elettrolita non infiammabile sviluppato ha competitività in termini di costi ed eccellente compatibilità con i materiali degli elettrodi ad alta densità di energia, quindi si prevede che verrà applicato all’infrastruttura di produzione di batterie convenzionali. In definitiva, accelererà l’emergere di batterie ad alte prestazioni con eccellente stabilità termica”.