Sikkerhetsaspekter i litiumionbatterier

Abstract

Forsvarlig bruk av litiumionbatterier krever innsikt og kunnskap om batterienes spesielle egenskaper. Tradisjonelt har man antatt at rask varmeutvikling korresponderer med verste fysiske reaksjon (ventilering, brann, materialutkast fra cellen eller eksplosjon) og brukt varmeutviklingshastighet som mål på hvor sikker cellen er. Denne oppgaven vil se på om det er samsvar mellom høyeste varmeutviklingshastigheter og fysisk reaksjon til ulike kommersielle litiumionceller. Sikkerhet er viktig i hele livsforløpet til litiumionbatteriene. Det er derfor viktig å vite hvordan sikkerhetsaspektene utvikler seg over tid. Det ble laget en forsøksserie hvor cellene ble aktivt syklet (ladet opp og ned) ved 5, 25 og 45 °C ved to ulike syklingshastigheter. Etter sykling ble cellene testet med hensyn på endring i varmeutvikling og fysisk reaksjon. En av cellene ble åpnet for å se på endringer i celleinnholdet (for å korrespondere sikkerhet mot elding). Resultatene viser at det ikke er samsvar mellom høyeste varmeutvikling og fysikk respons fra litiumioncellene. Vurdering av sikkerhetsaspektene til litiumionceller bare ved hjelp av varmeutvikling/katodekjemi kan derfor gi falsk trygghet. Det er mye som tyder på at sikkerhetsegenskapene til en litiumioncelle er avhengig av en kombinasjon av: mekanisk stress (form faktor), mengde elektrisk energi i cellen (energitetthet, størrelse, og ladenivå) samt kjemisk sammensetning (varmeutvikling). Termisk analyse av levetidssyklet litiumionceller indikerer at sikkerhetsaspektene til litiumionceller syklet ved 5 og 25 °C har blitt betydelig dårligere. Disse cellene viste større termisk ustabilitet (høyere varmeutviklingshastigheter) og økt sjanse til kortslutning på grunn av mekaniske deformasjoner i cellene. Celler syklet ved 45 °C viste liten eller litt økning av termiske stabiliteten. Sikkerhetsaspekten til disse cellene vurderes til å være uendret da disse cellene fikk mildere fysisk reaksjon under testingen. En av cellene syklet ved 25 °C ble åpnet og analyser. En rekke ulike endringer ble funnet i celleinnholdet, men ingen som kunne settes i direkte sammenheng med den økte termiske ustabiliteten.