Wie kann die Explosion von Lithium-Ionen-Batterien aufgrund thermischer Instabilität verhindert werden?

Thermal Runaway ist ein seit langem bestehendes Problem, das auch große Unternehmen beschäftigt Tesla , Samsung , Und Boeing und klein gleichermaßen.

Boeings Dreamliner 787, den Boeing mit einer Treibstoffeffizienz von 20 % bewarb, wurde 2013 eingestellt. Im selben Jahr wurde Teslas Model S einer bundesstaatlichen Sicherheitsuntersuchung unterzogen, nachdem es mindestens dreimal Feuer gefangen hatte. Letztes Jahr hat Samsung 2,5 Millionen Galaxy Note 7-Smartphones zurückgerufen.

Für alle drei Unternehmen, die zu den Top-Playern in ihrem Bereich gehören, war das Problem dasselbe – die Lithium-Ionen-Batterien, die als Stromquelle im Herzen ihres Produkts installiert waren. Die in Tesla Model S, Dreamliner 787 und Galaxy Note 7 verbauten Lithium-Ionen-Batterien explodierten kontinuierlich.

Warum explodiert eine Lithium-Ionen-Batterie unerwartet?

Lithium-Ionen-Batterien sind in mehreren Branchen der am häufigsten verwendete Batterietyp. Aber wissen Sie, was sie gefährlich macht? Wenn Sie als Forscher mit Li-Ionen-Batterien arbeiten, wissen Sie, dass einer der Hauptgründe für die Explosion der meisten Lithium-Ionen-Batterien das thermische Durchgehen ist.

Was ist Thermal Runaway und warum ist es die Hauptursache für Batterieexplosionen?
In Lithium-Ionen-Batterien sind Kathode und Anode durch einen dünnen – manchmal 10 Mikrometer dicken – Polyethylenseparator getrennt. Wenn dieser Separator reißt, kommt es zu einem Kurzschluss, der den Prozess einleitet, der als thermisches Durchgehen bezeichnet wird.

Ein thermisches Durchgehen tritt normalerweise während des Ladevorgangs auf. Die Temperatur steigt schnell bis zum Schmelzpunkt des metallischen Lithiums und löst eine heftige Reaktion aus.

Ein weiterer Hauptgrund für das thermische Durchgehen ist, dass andere mikroskopisch kleine Metallpartikel mit verschiedenen Teilen der Batterie in Kontakt kommen (dies passiert ständig beim Zusammenbau der Batterie), was zu einem Kurzschluss führt.

Normalerweise kann ein leichter Kurzschluss zu einer erhöhten Selbstentladung führen und es entsteht nur wenig Wärme, da die Entladeenergie sehr gering ist. Wenn jedoch genügend mikroskopisch kleine Metallpartikel an einer Stelle zusammenlaufen, kann es zu einem großen elektrischen Kurzschluss kommen und ein beträchtlicher Strom fließt zwischen der positiven und der negativen Platte.

Dies führt zu einem Temperaturanstieg, was zu einem thermischen Durchgehen führt, das auch als „Ablassen mit Flamme“ bezeichnet wird.

Bei einem thermischen Durchgehen kann sich die hohe Wärme der ausgefallenen Zelle auf die nächste Zelle übertragen, wodurch diese ebenfalls thermisch instabil wird. In manchen Fällen kommt es zu einer Kettenreaktion, bei der jede Zelle nach ihrem eigenen Zeitplan zerfällt.

Warum ist die Explosion von Li-Ionen-Batterien ein großes Problem für alle?

Das Smartphone in Ihrer Tasche wird mit Strom versorgt Li-Ion-Akku . Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres geringen Memory-Effekts und ihrer geringen Selbstentladung gehören sie zu den beliebtesten wiederaufladbaren Batterietypen für tragbare Elektronikgeräte.

Über die Unterhaltungselektronik hinaus erfreuen sich Lithium-Ionen-Batterien großer Beliebtheit für Anwendungen in den Bereichen Militär, Elektrofahrzeuge und Luft- und Raumfahrt. Beispielsweise haben Lithium-Ionen-Batterien die herkömmlichen Blei-Säure-Batterien ersetzt, die früher in Golfwagen und Nutzfahrzeugen verwendet wurden.

Es wird erwartet, dass der weltweite Markt für Lithium-Ionen-Batterien bis 2022 ein Volumen von 46,21 Milliarden US-Dollar erreichen wird, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 10,8 % im Zeitraum 2016–2022.

Für etwas, das so schnell zu einem festen Bestandteil unseres Alltags geworden ist, würden wir tatsächlich unser Leben riskieren, wenn wir diese Batterien um uns herum hätten.

Angesichts ihrer Einsatzmöglichkeiten sind sie nicht leicht zu ersetzen, aber wenn das Problem des thermischen Durchgehens gelöst werden könnte, würde das Gleichgewicht im Paradies wiederhergestellt.

Wie können wir ein thermisches Durchgehen verhindern? Lithium-Ionen-Batterien ?

1. Einführung eines Flammschutzmittels
Ein thermisches Durchgehen kommt häufig durch Reifenpannen und unsachgemäßes Laden zustande. Um solchen Brandgefahren entgegenzuwirken, verwendeten die Erfinder eine Thermoflüssigkeit, die ein Flammschutzmittel enthält.

Ein Flammschutzmittel ist eine Verbindung, die die Entstehung von Flammen hemmt, unterdrückt oder verzögert oder die Ausbreitung von Feuer verhindert.

Hier haben sie das Flammschutzmittel (normalerweise eine Bromverbindung) in hochdichtem Polyethylen mikroverkapselt und Wasser und eine Glykolverbindung hinzugefügt, um die verwendete Thermoflüssigkeit herzustellen. Die Glykolverbindung wird hier als „Frostschutzmittel“ verwendet (übliche Glykolverbindungen sind Ethylenglykol, Diethylenglykol und Propylenglykol).

Außerdem wird die Erfindung hauptsächlich im Hinblick auf EV-Batterien diskutiert. Wenn eine Batterie zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs benötigt wird, erwärmt sie sich. Thermoflüssigkeit fließt durch den Behälter und über die Module der Batterie.

Im Falle einer Überladung oder eines Autounfalls mit kaputter Batterie verringert das Flammschutzmittel in der Thermoflüssigkeit die Brandgefahr. Genauer gesagt platzen Mikrokapseln aus Bromverbindungen, wenn die Bruchtemperatur aufgrund der übermäßigen Hitze des Feuers erreicht wird. Das Flammschutzmittel wird aus den Mikrokapseln freigesetzt und dient dazu, den Brand unter Kontrolle zu bringen.

2. Verwendung schadenauslösender Geräte
Die Regenten der University of California scheinen ziemlich aktiv an der Erforschung des Umgangs mit dem Problem des thermischen Durchgehens zu sein.

Im Jahr 2006 meldeten sie ein Patent für Polymerelektrolyte mit hohem Elastizitätsmodul an, die zur Verhinderung eines thermischen Durchgehens geeignet sind (US8703310). Eine andere Gruppe von Erfindern hat dieses Patent (z. B. US'535) im Jahr 2013 angemeldet und befasst sich mit der Eindämmung des thermischen Durchgehens durch den Einsatz von schadensauslösenden Materialien oder Geräten.

Genauer gesagt haben sie einen Mechanismus zum Abschalten des thermischen Durchgehens entwickelt, der entweder mechanisch oder thermisch (oder beides) ausgelöst werden kann, wenn eine Batterieschädigung auftritt (d. h. vor oder kurz nach Beginn des thermischen Durchgehens) und das Problem behebt, bevor es überhaupt beginnen kann .

Solche vorausschauenden oder sofortigen Gegenmaßnahmen sind insbesondere dann erforderlich, wenn eine Batterie einem Stoß oder hohem Druck ausgesetzt ist (wie bei einem Unfall, den ich auch für das vorherige Patent US'886 erwähnt habe) und ihre innere Struktur beschädigt wird, was zu einem internen Kurzschluss führt.

Das Grundprinzip, nach dem es funktioniert, besteht darin, dass bei mechanischer Belastung der Batterie Schadensauslöser eine weitreichende Beschädigung oder Zerstörung der Elektrode auslösen können, sodass der Innenwiderstand erheblich ansteigt und ein thermisches Durchgehen gemildert wird, noch bevor es dazu kommt.

Hier wurde von zwei Arten von Schadensauslösern gesprochen –

Passive Schadensauslöser

Diese Initiatoren lösen beim Aufprall Risse oder Hohlräume in den Elektroden aus, und solche Risse und/oder Hohlräume erhöhen die Innenimpedanz der Elektrode und verringern so die mit einem möglichen internen Kurzschluss verbundene Wärmeerzeugung. Solche Additive werden als Cracks or Voids Initiators (CVIs) bezeichnet.

Die Elektrodenschäden können durch Ablösung oder Steifigkeitsungleichheit der CVI-Elektroden-Schnittstellen, Bruch und Bruch des CVI usw. verursacht werden. Beispiele für passive Additive umfassen feste oder poröse Partikel, feste oder hohle/poröse Fasern und Röhren usw. und sie kann aus Kohlenstoffmaterialien wie Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Aktivkohlen, Rußen usw. gebildet werden.

Aktiver Schadensinitiator

Diese Initiatoren können bei mechanischer oder thermischer Belastung eine erhebliche Volumen- oder Formänderung bewirken. Aktive Schadensauslöser können feste oder poröse Partikel, feste oder hohle Perlen, feste oder hohle/poröse Fasern und Röhren usw. umfassen. Aktive Schadensauslöser können aus Formgedächtnislegierungen wie Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni gebildet werden —Ti—Pt usw.

Die Chemikalien, die dabei freigesetzt werden thermisches Durchgehen kann giftig sein und in extremen Fällen kann thermisches Durchgehen zu elektrischen Bränden und/oder zur Explosion von Batterien führen. Auch die Umgebungslufttemperatur in der Batterieumgebung muss ordnungsgemäß eingehalten werden. Die Kontrolle dieser Faktoren verringert das Potenzial für thermisches Durchgehen .

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