Hvordan man stopper lithium-ion-batteriers eksplosion på grund af termisk runaway?

Termisk flugt er et langvarigt problem, som har generet store virksomheder som f.eks Tesla , Samsung , og Boeing og små ens.

Boeings Dreamliner 787, som Boeing annoncerede som 20 % brændstoføkonomisk, blev sat på jorden i 2013. Samme år kom Teslas Model S under en føderal sikkerhedsundersøgelse, efter at den brød i brand mindst 3 gange. Sidste år tilbagekaldte Samsung 2,5 millioner Galaxy Note 7-smartphones.

For alle de tre virksomheder, som er topspillere på deres domæne, var problemet det samme – lithium-ion-batterierne installeret i hjertet af deres produkt som strømkilde. Lithium-ion-batterierne installeret i Tesla Model S, Dreamliner 787 og Galaxy Note 7 eksploderede konstant.

Hvorfor eksploderer et lithium-ion-batteri uventet?

Lithium-ion-batterier er den mest brugte type batterier på tværs af flere industrier, men ved du, hvad der gør dem farlige? Hvis du er en forsker, der arbejder med Li-ion-batterier, ville du vide, at en af ​​hovedårsagerne til, at de fleste lithium-ion-batterier eksploderer, er på grund af termisk løb.

Hvad er Thermal Runaway, og hvorfor er det den førende årsag til batterieksplosioner?
I lithium-ion-batterier er katode og anode adskilt af en tynd - nogle gange 10 mikron - polyethylen-separator. Når denne separator brister, sker der en kortslutning, som starter den proces, der kaldes termisk runaway.

Termisk flugt sker normalt under opladning. Temperaturen stiger hurtigt til smeltepunktet for det metalliske lithium og forårsager en voldsom reaktion.

En anden væsentlig årsag bag termisk løb er andre mikroskopiske metalpartikler, der kommer i kontakt med forskellige dele af batteriet (dette sker hele tiden i batterisamlingsprocessen), hvilket resulterer i en kortslutning.

Normalt kan en mild kortslutning forårsage en forhøjet selvafladning, og der genereres lidt varme, fordi afladningsenergien er meget lav. Men når nok mikroskopiske metalpartikler konvergerer på ét sted, kan der udvikles en større elektrisk kortslutning, og en betydelig strøm vil flyde mellem de positive og negative plader.

Dette får temperaturen til at stige, hvilket fører til en termisk løbsk, også kaldet "udluftning med flamme."

Under en termisk løbsk kan den høje varme fra den svigtende celle forplante sig til den næste celle, hvilket får den til også at blive termisk ustabil. I nogle tilfælde opstår der en kædereaktion, hvor hver celle går i opløsning efter sin egen tidsplan.

Hvorfor er eksplosion af Li-Ion-batterier et stort problem for alle?

Smartphonen i lommen er drevet af en Li-Ion batteri . De er en af ​​de mest populære typer genopladelige batterier til bærbar elektronik på grund af deres høje energitæthed, lille hukommelseseffekt og lave selvafladning.

Ud over forbrugerelektronik er lithium-ion-batterier populære til militære, elektriske køretøjer og rumfartsapplikationer. For eksempel har lithium-ion-batterier erstattet de konventionelle bly-syre-batterier, der historisk har været brugt til golfvogne og nyttekøretøjer.

Det globale lithium-ion batterimarkedsstørrelse forventes at nå $46,21 milliarder i 2022 med en CAGR på 10,8% i perioden 2016-2022.

For noget, der er blevet en integreret del af vores hverdag i så hurtigt et tempo, ville vi faktisk risikere vores liv med disse batterier omkring os.

På grund af deres applikationer er de ikke let at udskifte, men hvis det termiske løbske problem kunne løses, ville balancen genoprettes i paradis.

Hvordan kan vi forhindre termisk runaway ind Lithium Ion batterier ?

1. Introduktion af en flammehæmmer
Termisk løbsk opstår ofte fra punkteringer og forkert opladning. For at imødegå sådanne brandfarer brugte opfinderne en termisk væske, som indeholder et flammehæmmer.

Et flammehæmmer er en forbindelse, der hæmmer, undertrykker eller forsinker produktionen af ​​flammer eller forhindrer spredning af brand.

Her har de mikroindkapslet flammehæmmeren (normalt en bromforbindelse) i polyethylen med høj densitet og tilsat vand og en glykolforbindelse for at forberede den anvendte termiske væske. Glykolforbindelsen bruges her som "frostvæske" (almindelige anvendte glykolforbindelser er ethylenglycol, diethylenglycol og propylenglycol).

Opfindelsen diskuteres også mest i lyset af EV-batterier. Et batteri varmes op, når det kaldes til at drive et elektrisk køretøj. Termisk væske strømmer gennem beholderen og over modulerne på batteriet.

I tilfælde af en overopladning eller en bilulykke, der resulterer i en batteripunktur, virker flammehæmmeren i den termiske væske for at reducere brandfaren. Mere præcist brister bromforbindelsesmikrokapsler, når brudtemperaturen nås på grund af overskydende varme fra ilden. Det flammehæmmere frigives fra mikrokapslerne og virker til at bringe ilden under kontrol.

2. Brug af skadesinitierende enheder
Regents of the University of California ser ud til at være ret aktive i at forske i, hvordan man håndterer problemet med termisk løbsk.

I 2006 indgav de et patent relateret til polymerelektrolytter med høj elasticitetsmodul, der er egnede til at forhindre termisk løbsk (US8703310). Et andet sæt opfindere har indgivet dette patent (dvs. US'535) i 2013, om at afbøde termisk løbsk ved hjælp af skadesinitierende materialer eller enheder.

Mere præcist har de udviklet en termisk runaway shutdown-mekanisme, der kan udløses enten mekanisk eller termisk (eller begge dele), efterhånden som batteriskader sker (dvs. før eller kort efter den termiske runaway starter) og tager sig af problemet, før det overhovedet kan begynde .

Sådanne forudsigelige eller øjeblikkelige modforanstaltninger er især nødvendige, når et batteri udsættes for stød eller højt tryk (som en ulykke, som jeg også nævnte for det tidligere patent US'886), og dets indre struktur er beskadiget, hvilket forårsager intern kortslutning.

Det grundlæggende princip, som det fungerer efter, er – efterhånden som en mekanisk belastning påføres batteriet, kan skadesinitiatorer udløse omfattende beskadigelse eller ødelæggelse af elektroden, så den indre modstand øges betydeligt for at afbøde den termiske løbegang, selv før det kan ske.

Her har man talt om to typer skadesinitiatorer –

Passive skadesinitiatorer

Disse initiatorer initierer revnedannelse eller hulrum i elektroder ved stød, og sådanne revner og/eller hulrum øger elektrodens indre impedans og reducerer således varmegenerering forbundet med mulig intern kortslutning. Sådanne tilsætningsstoffer er kendt som revner eller hulrumsinitiatorer (CVI'er).

Elektrodeskaderne kan være forårsaget af afbinding eller stivhedsmismatch af CVI-elektrodegrænseflader, brud og brud på CVI osv. Eksempler på passive additiver omfatter faste eller porøse partikler, faste eller hule/porøse fibre og rør osv. og de kan dannes af kulstofmaterialer såsom grafit, kulnanorør, aktiveret kul, kulrøg osv.

Aktiv skadesinitiator

Disse initiatorer kan frembringe en betydelig volumen- eller formændring ved en mekanisk eller termisk belastning. Aktive skadesinitiatorer kan omfatte faste eller porøse partikler, faste eller hule perler, faste eller hule/porøse fibre og rør osv. Aktive skadesinitiatorer kan dannes af formhukommelseslegeringer såsom Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt osv.

De kemikalier, der frigives under termisk flugt kan være giftig, og i ekstreme tilfælde kan termisk løbsk forårsage elektrisk brand og/eller batterier til at eksplodere. Den omgivende lufttemperatur i batterimiljøet skal også opretholdes korrekt. Styring af disse faktorer reducerer potentialet for termisk flugt .

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