Denne filmen slutter å lede strøm dersom temperaturen øker over et valgt nivå. Når temperaturen igjen synker, vil den igjen lede strøm. (Foto: Stanford University/Zheng Chen et al.)

LITIUMIONE-BATTERIER

Nå kan vi få batteriet som ikke blir ødelagt selv om temperaturen øker

Varmefølsom film med nikkel og grafen.

En utfordring med litiumionebatterier er at de er temperaturfølsomme.

Hvis temperaturen stiger for mye, kan cellen ødelegges. Dersom temperaturstigningen kommer ut av kontroll, kan i verste fall såkalt thermal runaway, eller termisk rømling, oppstå.

Det vil si at temperaturen i en celle øker, som igjen fører til en reaksjon hvor temperaturen øker ytterligere. I ytterste konsekvens kan elektrolytten i cellen ta fyr. Et celle som utvikler varme kan også påvirke nærliggende celler, slik at man får en kjedereaksjon i batteriet.

Kutter strømmen når temperaturen stiger

I slike situasjoner er det viktig å raskt få bukt med reaksjonen. En ny metode utviklet av forskere ved Stanford-universitetet kan bidra til å løse dette, skriver universitetet i en pressemelding.

De har utviklet en varmefølsom polymerfilm som kan kutte strømmen om temperaturen går over en gitt temperatur, og aktivere det igjen når temperaturen faller. Dette er en form for PTC-sikring (positive temperature coefficient), og varianter finnes allerede i batterier.

Filmen har nanopartikler en til tre nanometer av grafén-dekket nikkel, som leder strøm. Når temperaturen øker, vil filmen ekspandere slik at disse nanopartiklene mister ledeevnen.

Forskerne har demonstrert metoden ved hjelp av en varmepistol. Når denne rettes mot filmen, kuttes strømmen nærmest umiddelbart. Når varmepistolen blir fjernet, blir det raskt ledende igjen.

– Folk har forsøkt forskjellige strategier for å løse problemet med brannuhell i litiumionebatterier. Vi har designet det første batteriet som kan stenges ned og gjenopplives gjennom gjentatte oppvarmings- og kjølesykler uten at det går ut over ytelsen, sier Zhenan Bao, professor i kjemiske ingeniørfag ved Stanford.

Graféndekkede nikkelpartikler sørger for å lede strøm så lenge temperaturen er under ønsket nivå.
Graféndekkede nikkelpartikler sørger for å lede strøm så lenge temperaturen er under ønsket nivå. Stanford University/Zheng Chen et al.

Svært rask

Metoden er ifølge en artikkel publisert i journalen Nature Energy, så mye som 10.000 ganger mer sensitiv enn enn andre enheter som utfører samme oppgave.

Dette er et viktig poeng, ettersom temperaturøkningen i en celle kan gå svært raskt. Varmesensitive motstander kan ifølge forskerne ikke alltid reagere raskt nok, og da kan en thermal runaway-situasjon allerede ha oppstått.

Andre systemer kan innebære separatorer som smelter når temperaturen øker, slik at den aktuelle cellen isoleres. Da vil cellen imidlertid bli permanent deaktivert.

Det finnes en rekke andre tiltak i bruk, som å tilsette brannhemmende midler i elektrolytten, men dette vil bare hjelpe når uhellet først er ute.

Det er akkurat dette som er fordelen med Stanford-forskernes metode, at den kan sørge for at batteriet fungerer selv om det av en eller annen grunn har hatt høy temperatur. Når temperaturen i cellen faller under 70 grader, vil polymerfilmen igjen bli elektrisk ledende.

Materialet kan også konfigureres for høyere eller lavere temperaturer.

Svært rask respons

Dobler strømmen: teknologisjef i Grenland Energy AS, Dr. Lars Ole Valøen er svært fornøyd med at de har klart å doble strømuttaket fra batteriene de produserer
Teknologisjef i Grenland Energy AS, Dr. Lars Ole Valøen mener den nye metoden har sine fordeler, men at den trolig vil være mest aktuell for nisjeprodukter. Grenland Energy
Ulempen med denne metoden er at den åpenbart ikke vil utgjøre noen forskjell i tilfeller der varmepåvirkningen er ekstern, for eksempel om det brenner i nærheten av batteriet. Den vil heller ikke forhindre brann i tilfeller hvor en mekanisk skade på batteriet er årsaken til brannen.

Lars Ole Valøen, teknisk direktør i Grenland Energy, sier at PTC-elementer er velkjent teknologi i batterier, men at Stanford-forskernes metode skiller seg ut på to måter.

Den nye metoden gir raskere respons, noe Valøen mener er bra.

– At den lesses på strømkollektoren som et belegg gir også beskyttelse mot flere typer misbruk og feilbruk. Siden den ligger som en film på strømkollektoren, kan den gi beskyttelse mot intern kortslutning i cellen, sier Valøen.

Har også flere ulemper

Han peker imidlertid også på noen ulemper. Polymerfilmen vil øke prisen på batteriene. Det øker også volumet på selve batteriet, noe som direkte kan oversettes til redusert batteritid.

Videre tror Valøen at det vil gi en mer komplisert produksjonsprosess.

De aktive materialene på pluss- og minussiden kan fremdeles kortslutte uten å være i kontakt med filmen.

– En lokal oppvarming kan derfor fremdeles skje. Her kan det være kjente eller nye feilscenarier som ikke er dekket. En direkte kontakt mellom anode- og katodematerialer kan generere ganske mye varme. Dette kan gi problemer spesielt i store celler, sier Valøen.

Aktuelt for brannkritiske produkter

Han tror polymerfilmen kan være aktuelt for noen nisjeprodukter.

– I noen produkter er en brann mer kritisk enn i standard elektronikk beregnet på forbrukere, sier Valøen.