Højenergi Li-Ion batteri er mere sikkert for elektriske køretøjer

Et lithium-ion batteri, der er sikkert, har høj effekt og kan holde i 1 million miles er blevet udviklet af et team i Penn State's Battery and Energy Storage Technology (BEST) Center.

Batterier til elektriske køretøjer kræver typisk en afvejning mellem sikkerhed og energitæthed. Hvis batteriet har høj energi og effekttæthed, som er påkrævet for kørsel op ad bakke eller sammenlægning på motorvejen, så er der en chance for, at batteriet kan gå i brand eller eksplodere under de forkerte forhold. Men materialer, der har lav energi/effekttæthed, og derfor høj sikkerhed, har en tendens til at have dårlig ydeevne. Der er ikke noget materiale, der tilfredsstiller begge dele. Af den grund, batteriingeniører vælger ydeevne frem for sikkerhed.

"I dette arbejde besluttede vi, at vi ville tage en helt anden tilgang, " sagde Chao-Yang Wang, professor i mekanisk, kemi- og materialevidenskab og teknik, og William E. Diefenderfer Chair i Mechanical Engineering, Penn State. "Vi delte vores strategi op i to trin. Først ville vi bygge et meget stabilt batteri med meget stabile materialer."

Deres andet skridt var at indføre øjeblikkelig opvarmning. For omkring fire år siden, Wang udviklede et selvopvarmende batteri for at overvinde problemet med dårlig ydeevne i kolde klimaer. Batteriet bruger en elektrisk strøm til at varme op på sekunder i forhold til de timer, en ekstern varmelegeme krævede. Ved at opvarme batteriet fra stuetemperatur til omkring 140 grader Fahrenheit - 60 grader Celsius - får batteriet et øjeblikkeligt løft i reaktivitet, fordi kinetikkens lov er, at reaktiviteten stiger eksponentielt med temperaturen.

"Med disse to trin kan jeg få høj sikkerhed, når batteriet ikke bliver brugt, og høj effekt, når det er, " han sagde.

Det selvopvarmende batteri, kaldet All Climate-batteriet, er blevet vedtaget af flere bilfirmaer, herunder BMW, og blev valgt til at drive en flåde på 10, 000 køretøjer, der skal bruges til at fragte folk mellem spillesteder ved de næste vinter-OL i Beijing.

BEST-centret tester batteriets sikkerhed ved hjælp af sømpenetreringsudstyr. De slår sømmet ind i cellen og forårsager kortslutning. De overvåger derefter cellen for temperatur og spænding. Forskellen i temperatur for den passiverede celle var 212 grader F-100 grader C - sammenlignet med en standard battericelle som var 1, 832 grader F - 1000 grader C, en enorm forbedring.

Fordi deres batterier er bygget af stabile materialer, de har en lang cykluslevetid. Selv ved 140 grader F, deres cyklustal er over 4000, hvilket oversætter til over en million miles.

Holdets næste projekt bliver at udvikle et solid-state batteri, som sandsynligvis også kræver opvarmning.

Det aktuelle arbejde vises i journalen Videnskab fremskridt og har titlen "En ny tilgang til både sikkerhed og høj ydeevne af lithium-ion-batterier." Wangs medforfattere er forskningsadjunkter Shanhai Ge, Yongjun Leng og Xiao-Guang Yang, og ph.d.-studerende Teng Liu, Ryan Longchamps, Yue Gao og Daiwei Wang. Donghai Wang, professor i mekanik og kemiteknik, Penn State, også deltaget i dette arbejde.