Elektrolyt utan giftigt fluor ger elbilsbatterier samma prestanda

2020-07-09 06:00  

Den giftiga gasen vätefluorid är ett problem för brandmän när elbilar börjar brinna. Men det finns fluorfria alternativ. Nu har forskare vid Uppsala universitet visat att de går utmärkt att använda – med bibehållen kapacitet.

Brandexperter har de senaste åren upprepade gånger varnat för den giftiga gasen vätefluorid (HF, även kallat fluorvätesyra), som bildas när elbilar brinner. Gasen kan tränga in genom brandmännens skyddsutrustning och riskerar att ge allvarliga skador. 14 milligram vätefluorid per kubikmeter luft kan utgöra en dödlig halt.

Fluor finns bland annat i köldmediet i nyare bilars luftkonditionering. Vätefluorid kan alltså bildas även när bilar med förbränningsmotor tar fyr.

Men ämnet finns framför allt i litiumjonbatteriets elektrolyt, det vill säga lösningen som sköter jontransporten mellan anod och katod. Ämnet finns i ett litiumsalt med den kemiska formeln LiPF6 samt i ett tillsatsmedel som heter fluoretylenkarbonat, FEC.

Litiumsaltet LiPF6 används i princip i samtliga dagens litiumjonbatterier.

"Allmän uppfattning" att fluorerad elektrolyt är bäst

– Det är en allmän uppfattning bland celltillverkare att fluorerade elektrolyter ger bäst energikapacitet och flest laddcykler, säger Guiomar Hernandéz, forskare vid Institutionen för kemi på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet, till Ny Teknik.

Läs mer: Genomskinliga solceller driver elektronik inomhus

Men tillsammans med bland andra kollegan Jonas Mindemark, forskarassistent vid samma avdelning, har de nu visat att fluorfria alternativ kan ge i princip samma prestanda som fluorerade elektrolyter. Studien har nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften ACS Sustainable Chemistry and Engineering.

De båda ersättarna heter litiumbis(oxalato)borat, vilket brukar skrivas LiBOB, samt vinylenkarbonat (VC). Forskarna skapade med hjälp av dessa ämnen en helt fluorfri elektrolyt och testade den i en relativt modern högenergicell av typen NMC111. Resultatet blev ett batteri med samma prestanda som om en fluorerad elektrolyt använts – men betydligt mindre giftigt.

– Fluor behövs inte för att ge cellen prestanda, så länge man har andra komponenter som fyller samma syfte, säger Jonas Mindemark.

Enklare att återvinna batteriet utan fluor

Forskarna upptäckte även att det fluorfria batteriet ger lägre utsläpp av klimatpåverkande växthusgaser. Tillverkningsprocessen behöver heller inte anpassas i någon större utsträckning. Det räcker att byta ut de aktuella ämnena.

Förhoppningen är även att fluorfria batterier ska underlätta återvinning. Vätefluorid (som bildas vid kontakt med vatten) har visat sig ge problem i form av korrosion vid denna process.

Varför har inte celltillverkarna redan infört de här fluorfria alternativen?

– Om saker fungerar tenderar de att inte krångla till det. Man undviker att mixtra om man kan. Det kanske krävs incitament för att de ska börja använda detta miljövänligare och hållbarare alternativ. Det är förståeligt att de lägger mycket resurser på nya elektroder som ökar kapaciteten. Men i det här fallet är den ekonomiska motiveringen inte lika tydlig, säger Jonas Mindemark.

Ingen påtaglig kostnadsökning

En annan orsak kan vara kostnaden. Men enligt en tidigare studie gjord av forskarnas kollegor kostar det fluorerade litiumsaltet LiPF6 cirka 8 700 dollar per kilo, medan det fluorfria alternativet LiBOB kostar cirka 5 700 dollar (2015 års uppskattade prisuppgift).

– Det bör alltså inte innebära någon påtaglig kostnadsökning, men kan kräva specialiserade tillsatser för att ge full potential, säger Guiomar Hernandéz.

Läs mer: Tusen hemmaladdare sköter frekvensen i elnätet

När kan vi få se ett kommersiellt tillverkad batteri utan fluorerad elektrolyt?

– Om tre till fem år är väl inte en orimlig gissning. Men det beror på tillverkarnas prioriteringar, säger Jonas Mindemark.

Även om det fortfarande kan finnas en mindre mängd fluor kvar i elektrodernas bindemedel skulle en fluorfri elektrolyt innebära en säkrare tillvaro för brandmän som släcker brinnande elbilar.

Nu testas fluorfri elektrolyt i NMC622-cell

Forskarna fortsätter nu med att testa den fluorfria elektrolyten i ännu modernare celler. Trednen går nu mot högre andel nickel och lägre andel kobolt. Den variant som nu testas är av typen NMC622, alltså med sex delar nickel, två delar mangan och två delar kobolt.

– Vi har ännu inga officiella resultat att dela med oss av från de testerna, men vi kan väl säga att det inte ser dåligt ut i alla fall, säger Jonas Mindemark.

Fakta: Vätefluorid vid elbilsbränder

Bränder i litiumjonbatterier ger upphov till intensiv värme och påtagliga mängder gas och rök.

Svenska forskare har mätt utsläppen av bland annat den giftiga gasen vätefluorid från sju kommersiella litiumjonbatterier. Resultatet blev mellan 20 och 200 mg per wattimme nominell batterikapacitet.

Dessutom uppmättes 15–22 mg/Wh av den potentiellt giftiga gasen fosfatfluorid (POF3) från ett av batterierna.

Ett stort elbilsbatteri kan ha en batterikapacitet på 100 kWh, vilket alltså extrapolerat innebär att mellan 2 och 20 kilo vätefluorid frigörs vid en brand. Den dödliga halten vid tio minuters exponering (AEGL-3) är 13,9 mg/kubikmeter luft.

Källa: Toxic fluoride gas emissions from lithium-ion battery fires, publicerad i Nature Scientific Reports, 2017.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt