Як спыніць выбух літый-іённых батарэй з-за цеплавога ўцёку?

Цеплавыя ўцёкі - гэта даўняя праблема, якая турбуе такія буйныя карпарацыі, як Тэсла , Samsung , і Боінг і маленькія аднолькава.

Dreamliner 787 Boeing, які Boeing рэкламаваў як 20% эканомны, быў спынены ў 2013 годзе. У тым жа годзе Model S Tesla трапіла пад федэральнае расследаванне бяспекі пасля таго, як яна загарэлася як мінімум 3 разы.У мінулым годзе Samsung адклікала 2,5 мільёна смартфонаў Galaxy Note 7.

Для ўсіх трох кампаній, якія з'яўляюцца вядучымі гульцамі ў сваёй вобласці, праблема была аднолькавай - літый-іённыя акумулятары, усталяваныя ў цэнтры іх прадукту ў якасці крыніцы харчавання.Літый-іённыя батарэі, усталяваныя ў Tesla Model S, Dreamliner 787 і Galaxy Note 7, бесперапынна выбухалі.

Чаму літый-іённы акумулятар нечакана выбухае?

Літый-іённыя акумулятары з'яўляюцца найбольш часта выкарыстоўваным тыпам акумулятараў у некалькіх галінах, але ці ведаеце вы, што робіць іх небяспечнымі?Калі вы даследчык, які працуе з літый-іённымі акумулятарамі, вы б ведалі, што адна з асноўных прычын, чаму большасць літый-іённых акумулятараў выбухаюць, - цеплавы ўцёкі.

Што такое цеплавы ўцёкі і чаму ён з'яўляецца асноўнай прычынай выбуху батарэй?
У літый-іённых акумулятарах катод і анод падзеленыя тонкім поліэтыленавым сепаратарам - часам 10 мікрон.Калі гэты сепаратар разрываецца, адбываецца кароткае замыканне, якое ініцыюе працэс, які называецца цеплавым уцёкам.

Цеплавы ўцёкі звычайна адбываецца падчас зарадкі.Тэмпература хутка падымаецца да тэмпературы плаўлення металічнага літыя і выклікае бурную рэакцыю.

Яшчэ адной асноўнай прычынай цеплавога ўцёку з'яўляюцца іншыя мікраскапічныя металічныя часціцы, якія датыкаюцца з рознымі часткамі батарэі (гэта адбываецца ўвесь час у працэсе зборкі батарэі), што прыводзіць да кароткага замыкання.

Звычайна лёгкае кароткае замыканне можа выклікаць павышаны самаразрад і выдзяленне мала цяпла, таму што энергія разраду вельмі нізкая.Але, калі дастаткова мікраскапічных часціц металу сыходзіцца ў адным месцы, можа ўзнікнуць моцнае электрычнае замыканне, і паміж станоўчай і адмоўнай пласцінамі пацячэ значны ток.

Гэта прыводзіць да павышэння тэмпературы, што прыводзіць да цеплавога ўцёку, які таксама называюць "вентыляцыяй полымем".

Падчас цеплавога ўцёкаў высокая тэмпература клеткі, якая пашкоджваецца, можа распаўсюджвацца на наступную клетку, у выніку чаго яна таксама становіцца тэрмічнаму нестабільнай.У некаторых выпадках адбываецца ланцуговая рэакцыя, пры якой кожная клетка распадаецца па сваім раскладзе.

Чаму выбух літый-іённых батарэй - галоўная праблема для ўсіх?

Смартфон у вашай кішэні працуе ад a Li-Ion акумулятар .Яны з'яўляюцца адным з самых папулярных тыпаў акумулятарных батарэй для партатыўнай электронікі з-за іх высокай шчыльнасці энергіі, малюсенькага эфекту памяці і нізкага самаразраду.

Акрамя бытавой электронікі, літый-іённыя акумулятары папулярныя для ваенных, электрамабільных і аэракасмічных прымянення.Напрыклад, літый-іённыя батарэі замянілі звычайныя свінцова-кіслотныя батарэі, якія гістарычна выкарыстоўваліся для калясак для гольфа і грузавых аўтамабіляў.

Чакаецца, што да 2022 года аб'ём сусветнага рынку літый-іённых акумулятараў дасягне 46,21 мільярда долараў з CAGR 10,8% за перыяд 2016-2022 гг.

Дзеля таго, што стала неад'емнай часткай нашага паўсядзённага жыцця такімі хуткімі тэмпамі, мы б сапраўды рызыкавалі жыццём, маючы побач з сабой гэтыя батарэі.

Улічваючы іх прымяненне, іх няпроста замяніць, але калі б праблему цеплавых уцёкаў можна было вырашыць, баланс аднавіўся б у раі.

Як мы можам прадухіліць цеплавыя ўцёкі Літый-іённыя батарэі ?

1. Прадстаўляем антыпірэн
Цеплавой разгон часта адбываецца ад праколаў і няправільнай зарадкі.Каб супрацьстаяць такой пажарнай небяспецы, вынаходнікі выкарыстоўвалі цеплавую вадкасць, якая змяшчае антыпірэн.

Антыпірэн - гэта злучэнне, якое перашкаджае, душыць або затрымлівае ўзнікненне полымя або прадухіляе распаўсюджванне агню.

Тут яны мікракапсулявалі антыпірэн (звычайна злучэнне брому) у поліэтылен высокай шчыльнасці і дадалі ваду і гліколевае злучэнне для падрыхтоўкі цеплавой вадкасці.Гліколевае злучэнне выкарыстоўваецца тут як «антыфрыз» (звычайна выкарыстоўваюцца гліколевыя злучэнні: этыленгліколь, дыэтыленгліколь і прапіленгліколь).

Акрамя таго, вынаходніцтва ў асноўным абмяркоўваецца ў святле батарэй для электрамабіляў.Акумулятар, які патрабуе харчавання электрамабіля, награваецца.Цеплавая вадкасць цячэ праз ёмістасць і над модулямі батарэі.

У выпадку перазарадкі або аўтамабільнай аварыі, якая прывяла да праколу акумулятара, антыпірэн у цеплавой вадкасці зніжае небяспеку пажару.Дакладней, мікракапсулы злучэння брому разрываюцца пры дасягненні тэмпературы разрыву з-за лішку цяпла агню.Антыпірэн вылучаецца з мікракапсул і дзейнічае, каб узяць агонь пад кантроль.

2. Выкарыстанне прылад, якія выклікаюць пашкоджанні
Рэгенты Каліфарнійскага ўніверсітэта, падобна, даволі актыўна даследуюць, як справіцца з праблемай цеплавых уцёкаў.

У 2006 годзе яны падалі патэнт на палімерныя электраліты з высокім модулем пругкасці, прыдатныя для прадухілення цеплавога ўцякання (US8703310).Іншыя вынаходнікі падалі гэты патэнт (напрыклад, US'535) у 2013 г. аб змякчэнні цеплавых уцёкаў з дапамогай матэрыялаў або прылад, якія выклікаюць пашкоджанне.

Дакладней, яны распрацавалі механізм адключэння цеплавога разгону, які можа быць запушчаны механічна або тэрмічна (або абодва), калі адбываецца пашкоджанне батарэі (г.зн. да або неўзабаве пасля пачатку цеплавога разгону), і вырашаюць праблему яшчэ да таго, як яна можа пачацца .

Такія прадказальныя або імгненныя контрмеры асабліва неабходныя, калі батарэя падвяргаецца ўдару або высокаму ціску (напрыклад, аварыя, як я ўжо згадваў для папярэдняга патэнта US'886), і яе ўнутраная структура пашкоджана, выклікаючы ўнутранае замыканне.

Асноўны прынцып, на якім ён працуе, заключаецца ў тым, што калі механічная нагрузка прыкладваецца да батарэі, ініцыятары пашкоджанняў могуць выклікаць шырокае пашкоджанне або разбурэнне электрода, так што ўнутранае супраціўленне значна ўзрастае, каб змякчыць цеплавыя ўцёкі яшчэ да таго, як гэта можа адбыцца.

Тут гавораць пра два тыпы ініцыятараў пашкоджанняў –

Пасіўныя ініцыятары пашкоджанняў

Гэтыя ініцыятары ініцыююць расколіны або пустэчы ў электродах пры ўдары, і такія расколіны і/або пустэчы павялічваюць унутраны супраціў электрода і, такім чынам, памяншаюць вылучэнне цяпла, звязанае з магчымым унутраным замыканнем.Такія дадаткі вядомыя як ініцыятары расколін або пустэч (CVI).

Пашкоджанні электродаў могуць быць выкліканы разрывам або неадпаведнасцю жорсткасці інтэрфейсу CVI-электрода, пераломам і разрывам CVI і г.д. Прыклады пасіўных дадаткаў ўключаюць цвёрдыя або порыстыя часціцы, цвёрдыя або полыя/порыстыя валакна, трубкі і г.д., і яны могуць быць утвораны з вугляродных матэрыялаў, такіх як графіт, вугляродныя нанатрубкі, актываваны вугаль, сажа і г.д.

Актыўны ініцыятар пашкоджанняў

Гэтыя ініцыятары могуць выклікаць істотнае змяненне аб'ёму або формы пры механічнай або цеплавой нагрузцы.Ініцыятары актыўнага пашкоджання могуць уключаць у сябе цвёрдыя або порыстыя часціцы, цвёрдыя або полыя шарыкі, цвёрдыя або полыя/порыстыя валакна і трубкі і г. д. Ініцыятары актыўнага пашкоджання могуць утварацца са сплаваў з памяццю формы, такіх як Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt і г.д.

Хімічныя рэчывы, якія вылучаюцца падчас цеплавой ўцёкі можа быць таксічным, а ў крайніх выпадках цеплавы ўцёк можа прывесці да электрычнага пажару і/або выбуху батарэй.Тэмпература навакольнага паветра ў асяроддзі батарэі таксама павінна падтрымлівацца належным чынам.Кантроль над гэтымі фактарамі зніжае патэнцыял для цеплавой ўцёкі .

крыніца: https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-batteries/