Jak zastavit explozi lithium-iontových baterií kvůli tepelnému úniku?

Tepelný únik je dlouhodobý problém, který trápí velké korporace Tesla , Samsung , a Boeing a malé stejně.

Dreamliner 787 od Boeingu, který Boeing propagoval jako 20% úsporný, byl vyřazen z provozu v roce 2013. Ve stejném roce se Tesla Model S dostal pod federální bezpečnostní vyšetřování poté, co nejméně třikrát vzplál.V loňském roce Samsung stáhl 2,5 milionu smartphonů Galaxy Note 7.

Pro všechny tři společnosti, které jsou špičkovými hráči ve svém oboru, byl problém stejný – lithium-iontové baterie instalované v srdci jejich produktu jako zdroj energie.Lithium-iontové baterie nainstalované v Tesla Model S, Dreamliner 787 a Galaxy Note 7 neustále explodovaly.

Proč lithium-iontová baterie nečekaně exploduje?

Lithium-iontové baterie jsou nejpoužívanějším typem baterií v několika průmyslových odvětvích, ale víte, proč jsou nebezpečné?Pokud jste výzkumník pracující s lithium-iontovými bateriemi, měli byste vědět, že jedním z hlavních důvodů, proč většina lithium-iontových baterií exploduje, je tepelný únik.

Co je tepelný únik a proč je hlavní příčinou výbuchů baterií?
V lithium-iontových bateriích jsou katoda a anoda odděleny tenkým – někdy 10 mikrometrovým – polyetylenovým separátorem.Když tento separátor praskne, dojde ke zkratu, který iniciuje proces nazývaný tepelný únik.

K tepelnému úniku obvykle dochází během nabíjení.Teplota rychle stoupá k bodu tání kovového lithia a způsobuje prudkou reakci.

Dalším hlavním důvodem tepelného úniku jsou další mikroskopické kovové částice, které přicházejí do kontaktu s různými částmi baterie (to se děje po celou dobu procesu montáže baterie), což vede ke zkratu.

Obvykle může mírný zkrat způsobit zvýšené samovybíjení a vzniká málo tepla, protože vybíjecí energie je velmi nízká.Když se však na jednom místě shromáždí dostatek mikroskopických kovových částic, může dojít k velkému elektrickému zkratu a mezi kladnou a zápornou deskou proteče značný proud.

To způsobí zvýšení teploty, což vede k tepelnému úniku, také označovanému jako „odvzdušňování plamenem“.

Během tepelného útěku se může velké teplo selhávajícího článku šířit do dalšího článku, což způsobí, že se také stane tepelně nestabilním.V některých případech dochází k řetězové reakci, při které se každá buňka rozpadá ve svém vlastním časovém plánu.

Proč je výbuch Li-Ion baterií hlavním problémem pro všechny?

Smartphone ve vaší kapse je napájen a Li-Ion baterie .Jsou jedním z nejoblíbenějších typů dobíjecích baterií pro přenosnou elektroniku kvůli jejich vysoké hustotě energie, malému paměťovému efektu a nízkému samovybíjení.

Kromě spotřební elektroniky jsou lithium-iontové baterie oblíbené pro vojenské, elektrické a letecké aplikace.Například lithium-iontové baterie nahradily konvenční olověné baterie, které se v minulosti používaly pro golfové vozíky a užitková vozidla.

Očekává se, že velikost globálního trhu s lithium-iontovými bateriemi dosáhne do roku 2022 46,21 miliardy USD s CAGR 10,8 % v období 2016-2022.

U něčeho, co se tak rychlým tempem stalo nedílnou součástí našeho každodenního života, bychom s těmito bateriemi skutečně riskovali své životy.

Vzhledem k jejich použití nejsou snadno vyměnitelné, ale pokud by se podařilo vyřešit problém tepelného úniku, rovnováha by se obnovila v ráji.

Jak můžeme zabránit tepelnému úniku Lithium-iontové baterie ?

1. Představujeme retardér hoření
K tepelnému úniku často dochází v důsledku propíchnutí a nesprávného nabíjení.Aby se zabránilo takovému nebezpečí požáru, vynálezci použili tepelnou kapalinu, která obsahuje zpomalovač hoření.

Zpomalovač hoření je sloučenina, která inhibuje, potlačuje nebo zpomaluje tvorbu plamenů nebo zabraňuje šíření ohně.

Zde mikroenkapsulovali zpomalovač hoření (obvykle sloučeninu bromu) do vysokohustotního polyethylenu a přidali vodu a glykolovou sloučeninu pro přípravu použité tepelné kapaliny.Glykolová sloučenina se zde používá jako „nemrznoucí směs“ (běžně používané glykolové sloučeniny jsou ethylenglykol, diethylenglykol a propylenglykol).

Vynález je také většinou diskutován ve světle baterií EV.Baterie se při požadavku na napájení elektrického vozidla zahřívá.Tepelná kapalina protéká nádobou a přes moduly baterie.

V případě přebití nebo autonehody, která má za následek proražení baterie, zpomalovač hoření v tepelné kapalině snižuje nebezpečí požáru.Přesněji řečeno, mikrokapsle se sloučeninou bromu prasknou, když je dosaženo teploty prasknutí kvůli nadměrnému teplu ohně.Zpomalovač hoření se uvolňuje z mikrokapslí a působí tak, aby dostal oheň pod kontrolu.

2. Používání zařízení iniciujících poškození
Zdá se, že regenti Kalifornské univerzity jsou velmi aktivní ve výzkumu, jak se vypořádat s problémem tepelného úniku.

V roce 2006 podali patent týkající se polymerních elektrolytů s vysokým modulem pružnosti, které jsou vhodné pro zabránění tepelnému úniku (US8703310).Jiná skupina vynálezců podala tento patent (tj. US'535) v roce 2013 o zmírnění tepelného úniku pomocí materiálů nebo zařízení iniciujících poškození.

Přesněji řečeno, vyvinuli mechanismus tepelného úniku, který lze spustit buď mechanicky nebo tepelně (nebo obojí), když dojde k poškození baterie (tj. před nebo krátce po spuštění tepelného úniku) a postarat se o problém ještě předtím, než vůbec začne. .

Takováto prediktivní nebo okamžitá protiopatření jsou zvláště potřebná, když je baterie vystavena nárazu nebo vysokému tlaku (jako je nehoda, jak jsem zmínil také u předchozího patentu US'886) a její vnitřní struktura je poškozena, což způsobuje vnitřní zkrat.

Základní princip, na kterém funguje, je – při mechanickém zatížení baterie mohou iniciátory poškození vyvolat rozsáhlé poškození nebo zničení elektrody, takže se vnitřní odpor výrazně zvýší, aby se zmírnil tepelný únik ještě dříve, než k němu může dojít.

Zde mluvili o dvou typech iniciátorů poškození –

Pasivní iniciátory poškození

Tyto iniciátory iniciují praskání nebo popraskání elektrod po nárazu a takové praskliny a/nebo dutiny zvyšují vnitřní impedanci elektrody a tím snižují tvorbu tepla spojenou s možným vnitřním zkratem.Takové přísady jsou známé jako iniciátory trhlin nebo dutin (CVI).

Poškození elektrody může být způsobeno rozpojením nebo nesouladem tuhosti rozhraní CVI-elektroda, prasknutím a prasknutím CVI atd. Příklady pasivních přísad zahrnují pevné nebo porézní částice, pevná nebo dutá/porézní vlákna a trubky atd. mohou být vytvořeny z uhlíkových materiálů, jako je grafit, uhlíkové nanotrubice, aktivní uhlí, saze atd.

Aktivní iniciátor poškození

Tyto iniciátory mohou způsobit významnou změnu objemu nebo tvaru při mechanickém nebo tepelném zatížení.Aktivní iniciátory poškození mohou zahrnovat pevné nebo porézní částice, pevné nebo duté kuličky, pevná nebo dutá/porézní vlákna a trubičky atd. Aktivní iniciátory poškození mohou být vytvořeny ze slitin s tvarovou pamětí, jako jsou Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt atd.

Chemikálie, které se uvolňují během tepelný útěk může být jedovatý a v extrémních případech může tepelný únik způsobit elektrický požár a/nebo explozi baterií.Rovněž je třeba správně udržovat teplotu okolního vzduchu v prostředí baterie.Kontrola těchto faktorů snižuje potenciál pro tepelný útěk .

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