Lithium-ion-batterijen vliegen nog wel eens in de fik. Een nieuwe soort elektrolyt moet ervoor zorgen dat de batterij de brand zelf blust.

De beste batterijen van het moment zijn lithium-ion-accu’s. Maar die hebben ook een flink nadeel: heel af en toe klappen ze nogal heftig uit elkaar en vliegen ze in de fik. Chinese onderzoekers denken een oplossing te hebben en beschrijven in vakblad Nature Sustainability een lithium-ion-batterij die zijn eigen vuur dooft.

Het gros van de tijd zijn lithium-ion-batterijen volkomen veilig. Maar er zijn er tegenwoordig zoveel om ons heen – denk aan smartphones, laptops, kruimeldieven, drones, e-bikes en elektrische auto’s – dat het soms toch fout gaat. In 2022 waren er in New York bijvoorbeeld meer dan 200 batterijbranden.

In onderstaande video waarschuwt de brandweer van New York voor de gevaren van de batterijen.

Kettingreactie

Het probleem zit hem in de elektrolyt. Om de anode en de kathode van elkaar te scheiden, wordt een elektrolyt gebruikt die tijdens het laden en ontladen lithiumionen doorlaat. Maar die is gemaakt van stoffen die nogal explosief en brandbaar zijn.

Vliegt de elektrolyt onverhoopt in de fik, dan kan er een kettingreactie ontstaan. De hitte versnelt namelijk ongewenste chemische reacties waarbij extra hitte vrijkomt, waardoor verdere reacties in gang worden gezet. De temperatuur in de batterij kan zo in een seconde met honderden graden stijgen, met brand of een explosie als gevolg.

Lees ook:

• Betavolt belooft batterij die 50 jaar stroom levert – zonder op te laden
• ‘Knoopcelbatterijen laten de strotwand oplossen’
• Waterspuwende draak blust gevaarlijke branden

Brandblussers

De Chinese onderzoekers hebben daar wat op bedacht. Ze ontwikkelden een elektrolyt die is gemaakt van onbrandbare stoffen en die overmatige hitte juist de batterij uitdrijft, zodat zo’n kettingreactie niet kan starten. Dat bleek geen eenvoudige zoektocht, de voor de hand liggende onbrandbare alternatieven bevatten namelijk fluor en fosfor, en die zijn duur en slecht voor het milieu.

Daarom gooiden ze het over een andere boeg. Ze pasten een al bestaand koelmiddel – dat wordt gebruikt in brandblussers – aan en mixten het met een paar andere chemicaliën zodat het kan functioneren als een elektrolyt. Het resultaat was een onbrandbare stof die weinig toxiciteit heeft en zelfs een brand in de batterij kan doven.

Spijkertest

Om te onderzoeken hoe veilig batterijen met deze nieuwe elektrolyt echt zijn, onderwierpen de wetenschappers ze aan een spijker-penetratietest – een veelgebruikte methode om de veiligheid van lithium-ion-batterijen te beoordelen. Door een roestvrijstalen spijker door een opgeladen batterij te drijven, wordt interne kortsluiting gesimuleerd; als de batterij daardoor vlamvat, slaagt hij niet voor de test. De nieuwe batterij vloog niet in brand en slaagde dus wel.

Hieronder een voorbeeld van een batterij die niet slaagt voor de spijker-penetratietest.

Hij ging overigens ook veel beter om met extreme hitte en kou dan batterijen met conventionele elektrolyten, hij presteerde goed tussen -75 en 80 graden Celsius. Ook de batterijcapaciteit had niks te lijden onder de nieuwe elektrolytsamenstelling.

Omdat deze nieuwe elektrolyt vergelijkbare fysieke eigenschappen heeft als de huidige versies, kunnen de brandveiligere batterijen volgens de onderzoekers makkelijk op grote schaal worden geproduceerd. Ze verwachten dat bedrijven hun bestaande lithium-ion-batterijfabrieken kunnen blijven gebruiken en daar weinig aan hoeven te veranderen.

Bronnen: Nature Sustainability, The Conversation, New Atlas

Beeld: Fire Department, City of New York

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!