Litiumbatterier, kan de göras säkrare ?

Thermal runaway
En liten kortslutning eller skada eller överhettning får allt att börja skena iväg.
Men vad är det egentligen som händer.
Kemisk reaktion ?

Isolermaterial typ plast som blir överhettat sönderdelas i vattenånga som reagerar med litium.
Alla vet vad som händer när alkalimetaller reagerar med vatten.

Finns det i så fall möjlighet att använda något annat islolermaterial som inte sönderdelas i något som reagerar med litium ?

Stora pengar att tjäna för den som hittar ett bra sätt att göra litiumbatterier säkrare att använda.
Men i så fall borde någon ha löst det problemet för länge sedan.
Så vad är det som stoppar ?

Det kallas sodium-ion batterier.

Alltså man har natrium i dessa batterier.
Natrium finns i stora mängder på jorden. Går att utvinna ur salt från saltgruvor eller havsvatten.

Natriumklorid eller NaCl

De brinner inte. Finns filmer där man slår i en spik i sådan batterier och de brinner inte.

Sodiumbatterier är visserligen säkrare, men de har mycket lägre energi densitet än litium.
Ett sodiumbatteri är uppåt fyrdubbla vikten jämfört med motsvarande litiumbatteri. Om batteriet är tänkt att sitta i ett fordon är det ett större problem än om batteriet används som en fastinstallerad energibank vid t.ex ett vindkraftverk.

Som jag förstått det, och jag har tyvärr en del erfarenhet av brinnande liionbatterier, så är det en rent fysisk reaktion som sker vid en batteribrand.

Något* får anod och katod att bryggas och då sker en lokal dumpning av energin som lagrats i batteriet på just den platsen. Följden blir att det blir extremt varmt och elektrolyten kokar bort lokalt, den kortslutna ytan blir större och djupare mellan de olika lagren då trycket i cellen pressar ihop dem mer i batteriet och värmen i höljet smittar intilliggande celler. Strax har trycket i batteriet stigit så mycket att höljet brister och batteriinnehållet skjuts ut. Värmen är så hög att kontaktytan är vitglödgad och när den förångade elektrolyten blandas med luft antänder den. Det hela går så oerhört snabbt att batteriet exploderar med en puff och värmen är så intensiv att det ofta händer att flera intilliggande celler samtidigt exploderar mer dramatiskt med något som faktiskt kan liknas vid en dov knall.

Så det är inte direkt litiumet i sig som är problemet utan de olika elektrolytvätskorna som behövs för att litiumjonbatterier ska fungera som de ska.

Andra batterityper genomgår ungefär samma förlopp invändigt men med den viktiga skillnaden att elektrolyten dels inte når upp i så höga tryck och dels inte är så brännbar. Plus att dendriter (se nedan) inte kan bildas alls på grund av sammansättningens egenskaper. Så kortslutningen av skadan sker, värme utvecklas men trycket stiger inte så katastrofalt så enkelt uttryckt laddas batteriet ur mycket snabbt under stark värmeutveckling, men inte så stark att det blir katastrof av det hela.

* kan vara en fysisk skada som klämmer ihop anod och katod t.ex. vid en punktering av cellen av något vasst. Kan även vara en direkt kortslutning orsakad av att man slagit till pluspolssidan av en rund cell så att det isolerande membranet som håller elektrolyten kvar i cellen skadas och hölje (negativ pol) och pluspol kommer i direkt kontakt med varandra. Sker den katastrofala kortslutningen vis laddning (eller vila) så beror den däremot ofta på att dendriter (det är små metalliska utväxter från anoden, genom elekrolytbasen (vanligen nån grafitblandning) bildas och istället för att blixtsnabbt brännas bort så bildas en större skada och man får en kedjereaktion genom lagren som jag beskrev i början.

Så man kanske kan säga att med dagens elektolyter och övrig batterikomposition är det omöjligt att komma från problemet, om man väljer litiumjontekniken. Och den väljer man ofta för dess höga energiinnehåll, snabba urladdningsförmåga och likaledes snabba förmåga att återladdas. Det finns ju andra litiumtekniker (LiPoFe) som är mycket mer säkra, men de kan idag inte hålla samma energidensitet.

Vi kan nog räkna med att när man hittat andra elektrolyter som möjliggör säkrare batterier med bibehållen eller högre energidensitet än vi har idag, så kommer nuvarande, direkt livsfarliga batteriteknik i princip sluta användas över en natt. Och folk kommer fråga sig hur nån kunde vara så erbarmligt korkade att de stoppade bomber i allt från armbandsur till personbilar.

Edit: Litiumjonatteriet måste alltså vara helt eller delvis laddat för att en sådan här explosiv brand ska kunna uppstå. Ett oladdat batteri kommer inte fatta eld vid en kortslutning och kan inte heller spontant fatta eld.

Mycket bra beskrivning av händelseförloppet.
Jag har kunskapen, men saknar förmåga att beskriva det begripligt för andra.

Bra skrivet !

Skillnaden är väl bara typ 10% så många biltillverkare har helt gått över till dessa pga det lägre priset. Den stora nackdelen är snarare att de presterar dåligt vid låg temperatur så de är inte ideala i Sverige.

Får se om någon lyckas tillverka ett praktiskt litium-luft batteri, jag tror det är kemin med teoretiskt högst prestanda per kilo, mer än en tiopotens högre än dagens batterier.