Limiting internal short-circuit damage by self-fusing tabs for high-safety lithium-ion batteries

Binnen de gestroomlijnde, krachtige batterijen die onze elektrische auto's aandrijven en energie opslaan voor het elektriciteitsnet, loert een stille dreiging. Deze apparaten zijn opgebouwd uit vele dunne lagen materiaal die op elkaar gestapeld zijn als een kaartspel, die allemaal samenwerken om elektriciteit vast te houden en vrij te geven. Wanneer er binnenin een minuscule imperfectie ontstaat, zoals een microscopisch scheurtje of een rondvliegend metaaldeeltje, kan dit een direct pad creëren waar elektriciteit naartoe kan stromen waar het niet hoort. Dit wordt een intern kortsluitingscircuit genoemd. In een normale batterij werkt deze imperfectie als een afvoer, die energie uit de gezonde lagen eromheen trekt. De elektriciteit raast door de zwakke plek, wat in een fractie van een seconde intense hitte veroorzaakt. Als deze hitte sneller ophoopt dan dat het kan ontsnappen, triggert dit een kettingreactie waarbij de batterijmaterialen afbreken, zuurstof vrijgeven en ontbranden. Dit ongecontroleerde proces (thermal runaway) kan een kleine, lokale fout veranderen in een gewelddadig vuur dat de hele cel opslokt. Decennialang hebben ingenieurs geprobeerd dit te stoppen door de materialen sterker te maken of sensoren toe te voegen om problemen te waarschuwen, maar deze methoden reageren vaak te laat of stellen het onvermijdelijke slechts uit in plaats van de energiestroom bij de bron te stoppen.

Een team van onderzoekers heeft nu een andere aanpak voorgesteld die werkt als een zelf-resetbare zekering die direct in het hart van de batterij is ingebouwd. In plaats van te proberen de hitte te weerstaan of te wachten op een waarschuwingssignaal, snijdt hun ontwerp actief de stroomtoevoer af op het moment dat een gevaarlijke kortsluiting begint. De kerninnovatie ligt in de metalen tabben die de interne lagen van de batterij verbinden. In een standaardbatterij zijn deze tabben massieve stukken metaal die elektriciteit efficiënt geleiden. In het nieuwe ontwerp hebben de onderzoekers een klein segment van een speciale metaallegering in elk van deze tabben geplaatst. Deze legering is gekozen omdat deze bij een relatief lage temperatuur smelt en elektriciteit zeer goed geleidt. Onder normale omstandigheden werkt de batterij precies zoals het hoort, waarbij de legering fungeert als een perfecte brug voor de stroom. Echter, als er een ernstige kortsluiting optreedt, genereert de plotselinge stroompiek die door die specifieke laag stroomt bijna onmiddellijk hitte. Deze hitte doet het legeringssegment in minder dan een seconde smelten, waardoor het metaal dichtsmelt en de elektrische verbinding fysiek verbreekt.

De onderzoekers toonden aan dat deze eenvoudige mechanische breuk ongelooflijk effectief is bij het voorkomen van rampen. Wanneer zij een kortsluiting veroorzaakten in een standaardbatterij, schoot de temperatuur binnenin naar bijna 386 graden Celsius, zwol de cel op, kwam er dikke rook vrij en ontstond er brand. De spanning stortte volledig in en de interne materialen werden vernietigd. In contrast hiermee, toen zij exact dezelfde test uitvoerden op een batterij uitgerust met deze zelf-fusende tabben, was de uitkomst geheel anders. Op het moment dat de kortsluiting begon, schoot de stroom omhoog, smolt de legering en werd de verbinding verbroken. De temperatuur van de batterij steeg met slechts ongeveer 45 graden Celsius voordat deze begon af te koelen. Er was geen rook, geen vuur en geen opzwelling. De spanning daalde even kort, maar herstelde zich daarna, waardoor de rest van de batterij veilig kon blijven functioneren. De defecte laag werd geïsoleerd, waardoor de energiebron die anders het vuur zou hebben gevoed, werd afgesneden, terwijl de overige gezonde lagen gewoon bleven werken.

Om te begrijpen waarom dit zo goed werkt, moest het team eerst bewijzen wat er een batterij werkelijk doet overgaan tot thermal runaway. Ze ontdekten dat een enkele beschadigde laag, indien geïsoleerd van de rest van de batterij, niet genoeg hitte op zichzelf kan genereren om een catastrofale uitval te veroorzaken. Zelfs wanneer een kortsluiting een enorme stroompiek veroorzaakte, bleef de temperatuur laag zolang de beschadigde laag losgekoppeld was van haar buren. Het gevaar ontstaat pas wanneer de gezonde, parallel geschakelde lagen energie blijven pompen in de foutieve plek. Deze aanhoudende stroom van energie drijft de temperatuur op totdat de chemie van de batterij instabiel wordt. Door deze stroom aan het begin te onderbreken, voorkomen de zelf-fusende tabben dat de hitte het kritieke punt bereikt waarop de batterijmaterialen beginnen te ontleden en zuurstof vrijgeven.

Het ontwerp houdt ook rekening met de praktische uitdagingen van het bouwen van een dergelijke batterij. De onderzoekers ontdekten dat het legeringssegment dun genoeg moest zijn om snel te smelten, maar sterk genoeg om het productieproces te overleven. Ze ontdekten dat een laag tussen de 25 en 40 micrometer dik de juiste balans bood, waarbij het in minder dan één seconde fuseerde tijdens een fout. Om de delicate legering te beschermen tegen reacties met de chemicaliën in de batterij tijdens normaal gebruik, bedekten ze deze met een ultradun laagje epoxy. Deze coating maakte de tab veel sterker, waardoor deze de fysieke stress van assemblage kon weerstaan zonder te breken, terwijl elektriciteit nog steeds vrij door kon stromen. Tests toonden aan dat batterijen met deze tabben net zo goed presteerden als standaardbatterijen over honderden laadcycli, waarbij ze hun capaciteit en efficiëntie behielden zonder enige degradatie.

De onderzoekers testten dit concept onder een verscheidenheid aan zware omstandigheden om te garanderen dat het in de echte wereld zou werken. Ze onderwierpen de batterijen aan ernstige elektrische mishandeling door massale kortsluitingen te forceren, en aan mechanische mishandeling door scherpe en ronde objecten in de cellen te drukken om crashes of doorboringen te simuleren. In elk geval waarin een gevaarlijke, hoogstroomige kortsluiting optrad, smolten de tabben en werd de fout geïsoleerd. Zelfs wanneer de mechanische schade ernstig genoeg was om een kortsluiting te veroorzaken, bleef de batterij stabiel zolang de stroom hoog genoeg was om de zekering te triggeren. Interessant genoeg, als de mechanische schade slechts een zwakke, laagstroomige kortsluiting veroorzaakte, smolten de tabben niet. Dit is een cruciale functie, omdat het betekent dat de batterij niet onnodig uitschakelt bij kleine, onschadelijke storingen. Het systeem is slim genoeg om onderscheid te maken tussen een triviaal contact en een levensbedreigende stroompiek, en grijpt alleen in wanneer het gevaar echt is.

De studie onderzocht ook hoe deze technologie opgeschaald kon worden naar grotere batterijen. In plaats van een zekering in elke laag te plaatsen, wat het productieproces complex zou maken, toonde het team aan dat groepen lagen een enkele zekering kunnen delen. In een test waarbij zij een batterij in drie secties verdeelden, activeerde een kortsluiting in één sectie de zekering voor die gehele sectie, waardoor deze werd geïsoleerd terwijl de andere twee secties normaal bleven functioneren. Deze modulaire aanpak suggereert dat de technologie kan worden aangepast aan grote batterijpakketten zonder een enorme toename in productiedificiliteit. De onderzoekers testten dit veiligheidsmechanisme bij zes verschillende soorten commerciële batterijchemieën, en in elk geval slaagden de zelf-fusende tabben erin om thermal runaway te voorkomen, waarbij de piektemperaturen onder de 45 graden Celsius bleven, terwijl standaardbatterijen in dezelfde tests temperaturen van meer dan 400 graden Celsius bereikten.

Dit werk vertegenwoordigt een verschuiving in hoe we denken over batterijveiligheid. In plaats van te vertrouwen op passieve materialen die proberen hitte te weerstaan of externe systemen die proberen problemen te detecteren nadat ze zijn begonnen, bouwt deze aanpak een actieve verdediging direct in de architectuur van de batterij. Het accepteert dat fouten zullen optreden en biedt een manier om ze onmiddellijk te beheersen. Door de energievoorziening af te snijden op het moment dat een gevaarlijke kortsluiting ontstaat, stopt de batterij de kettingreactie voordat deze kan beginnen. Het resultaat is een batterij die de soorten misbruik kan overleven die normaal gesproken tot brand zouden leiden, wat een nieuw niveau van veiligheid biedt voor de energiezuinige apparaten die essentieel worden in het moderne leven.