Πώς να σταματήσετε την έκρηξη μπαταριών ιόντων λιθίου λόγω θερμικής φυγής;

Η θερμική διαφυγή είναι ένα μακροχρόνιο πρόβλημα που απασχολεί μεγάλες εταιρείες όπως Tesla , Samsung , και Boeing και μικρά εξίσου.

Το Dreamliner 787 της Boeing, το οποίο η Boeing διαφήμισε ως 20% αποδοτική κατανάλωση καυσίμου, προσγειώθηκε το 2013. Την ίδια χρονιά, το Model S της Tesla τέθηκε υπό ομοσπονδιακή έρευνα ασφαλείας αφού έπιασε φωτιά τουλάχιστον 3 φορές.Πέρυσι η Samsung ανακάλεσε 2,5 εκατομμύρια smartphone Galaxy Note 7.

Και για τις τρεις εταιρείες, που είναι κορυφαίοι παίκτες του τομέα τους, το πρόβλημα ήταν το ίδιο – οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που είναι εγκατεστημένες στην καρδιά του προϊόντος τους ως πηγή ενέργειας.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που ήταν εγκατεστημένες στα Tesla Model S, Dreamliner 787 και Galaxy Note 7 εκρήγνυνται συνεχώς.

Γιατί μια μπαταρία ιόντων λιθίου εκρήγνυται απροσδόκητα;

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ο πιο χρησιμοποιούμενος τύπος μπαταριών σε πολλές βιομηχανίες, αλλά ξέρετε τι τις κάνει επικίνδυνες;Εάν είστε ερευνητής που εργάζεστε με μπαταρίες ιόντων λιθίου, θα ξέρετε ότι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους οι περισσότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου εκρήγνυνται είναι λόγω της θερμικής διαφυγής.

Τι είναι το Thermal Runaway και γιατί είναι η κύρια αιτία των εκρήξεων της μπαταρίας;
Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η κάθοδος και η άνοδος διαχωρίζονται από ένα λεπτό – μερικές φορές 10 microns – διαχωριστή πολυαιθυλενίου.Όταν αυτός ο διαχωριστής σπάσει, συμβαίνει ένα βραχυκύκλωμα που ξεκινά τη διαδικασία που ονομάζεται θερμική διαφυγή.

Η θερμική διαφυγή συμβαίνει συνήθως κατά τη φόρτιση.Η θερμοκρασία ανεβαίνει γρήγορα στο σημείο τήξης του μεταλλικού λιθίου και προκαλεί μια βίαιη αντίδραση.

Ένας άλλος σημαντικός λόγος πίσω από τη θερμική διαφυγή είναι άλλα μικροσκοπικά μεταλλικά σωματίδια που έρχονται σε επαφή με διαφορετικά μέρη της μπαταρίας (αυτό συμβαίνει συνεχώς στη διαδικασία συναρμολόγησης της μπαταρίας), με αποτέλεσμα βραχυκύκλωμα.

Συνήθως, ένα ήπιο βραχυκύκλωμα μπορεί να προκαλέσει αυξημένη αυτοεκφόρτιση και να παράγεται λίγη θερμότητα επειδή η ενέργεια εκφόρτισης είναι πολύ χαμηλή.Όμως, όταν αρκετά μικροσκοπικά μεταλλικά σωματίδια συγκλίνουν σε ένα σημείο, μπορεί να αναπτυχθεί ένα μεγάλο ηλεκτρικό βραχυκύκλωμα και ένα μεγάλο ρεύμα θα ρέει μεταξύ των θετικών και αρνητικών πλακών.

Αυτό προκαλεί την άνοδο της θερμοκρασίας, οδηγώντας σε θερμική διαφυγή, που αναφέρεται επίσης ως «εξαερισμός με φλόγα».

Κατά τη διάρκεια μιας θερμικής διαφυγής, η υψηλή θερμότητα του στοιχείου που αποτυγχάνει μπορεί να διαδοθεί στο επόμενο στοιχείο, με αποτέλεσμα να γίνει θερμικά ασταθές επίσης.Σε ορισμένες περιπτώσεις, εμφανίζεται μια αλυσιδωτή αντίδραση κατά την οποία κάθε κύτταρο αποσυντίθεται στο δικό του χρονοδιάγραμμα.

Γιατί η έκρηξη των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι ένα σημαντικό πρόβλημα για όλους;

Το smartphone στην τσέπη σας τροφοδοτείται από α Μπαταρία Li-Ion .Είναι ένας από τους πιο δημοφιλείς τύπους επαναφορτιζόμενων μπαταριών για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές λόγω της υψηλής ενεργειακής τους πυκνότητας, του μικροσκοπικού εφέ μνήμης και της χαμηλής αυτοεκφόρτισης.

Πέρα από τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι δημοφιλείς για εφαρμογές στρατιωτικών, ηλεκτρικών οχημάτων και αεροδιαστημικής.Για παράδειγμα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αντικαταστήσει τις συμβατικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος που έχουν χρησιμοποιηθεί ιστορικά για καρότσια γκολφ και οχήματα κοινής ωφέλειας.

Το μέγεθος της παγκόσμιας αγοράς μπαταριών ιόντων λιθίου αναμένεται να φτάσει τα 46,21 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2022, με CAGR 10,8% κατά την περίοδο 2016-2022.

Για κάτι που έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος της καθημερινότητάς μας με τόσο γρήγορους ρυθμούς, θα διακινδυνεύαμε πράγματι τη ζωή μας έχοντας αυτές τις μπαταρίες γύρω μας.

Δεδομένων των εφαρμογών τους, δεν μπορούν να αντικατασταθούν εύκολα, αλλά εάν το πρόβλημα της θερμικής διαφυγής μπορούσε να λυθεί, η ισορροπία θα αποκατασταθεί στον παράδεισο.

Πώς μπορούμε να αποτρέψουμε τη θερμική διαφυγή Μπαταρίες ιόντων λιθίου ?

1. Παρουσιάζοντας ένα επιβραδυντικό φλόγας
Η θερμική διαφυγή εμφανίζεται συχνά από τρυπήματα και ακατάλληλη φόρτιση.Για την αντιμετώπιση τέτοιων κινδύνων πυρκαγιάς, οι εφευρέτες χρησιμοποίησαν ένα θερμικό ρευστό που περιέχει ένα επιβραδυντικό φλόγας.

Ένα επιβραδυντικό φλόγας είναι μια ένωση που αναστέλλει, καταστέλλει ή καθυστερεί την παραγωγή φλόγας ή εμποδίζει την εξάπλωση της φωτιάς.

Εδώ έχουν μικροενθυλακώσει το επιβραδυντικό φλόγας (συνήθως μια ένωση βρωμίου) σε πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας και προστίθεται νερό και μια ένωση γλυκόλης για την παρασκευή του θερμικού υγρού που χρησιμοποιείται.Η ένωση γλυκόλης χρησιμοποιείται εδώ ως «αντιψυκτικό» (κοινές ενώσεις γλυκόλης που χρησιμοποιούνται είναι η αιθυλενογλυκόλη, η διαιθυλενογλυκόλη και η προπυλενογλυκόλη).

Επίσης, η εφεύρεση συζητείται κυρίως υπό το φως των μπαταριών EV.Μια μπαταρία όταν καλείται να τροφοδοτήσει ένα ηλεκτρικό όχημα θερμαίνεται.Το θερμικό υγρό ρέει μέσα από το δοχείο και πάνω από τις μονάδες της μπαταρίας.

Σε περίπτωση υπερφόρτισης ή τροχαίου ατυχήματος που οδηγεί σε τρύπημα της μπαταρίας, το επιβραδυντικό φλόγας στο θερμικό υγρό δρα για να μειώσει τον κίνδυνο πυρκαγιάς.Πιο συγκεκριμένα, οι μικροκάψουλες ένωσης βρωμίου διαρρηγνύονται όταν επιτευχθεί η θερμοκρασία ρήξης λόγω της υπερβολικής θερμότητας της φωτιάς.Το επιβραδυντικό φλόγας απελευθερώνεται από τις μικροκάψουλες και δρα για να θέσει τη φωτιά υπό έλεγχο.

2. Χρήση συσκευών εκκίνησης βλάβης
Οι Αντιβασιλείς του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια φαίνεται να είναι αρκετά ενεργοί στην έρευνα για το πώς να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα της θερμικής φυγής.

Το 2006, κατέθεσαν ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχετικά με ηλεκτρολύτες πολυμερών υψηλού συντελεστή ελαστικότητας κατάλληλους για την πρόληψη της θερμικής διαφυγής (US8703310).Ένα διαφορετικό σύνολο εφευρετών κατέθεσε αυτό το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (δηλαδή US'535) το 2013, σχετικά με τον μετριασμό της θερμικής διαφυγής χρησιμοποιώντας υλικά ή συσκευές που προκαλούν βλάβη.

Πιο συγκεκριμένα, έχουν αναπτύξει έναν μηχανισμό διακοπής λειτουργίας θερμικής διαφυγής που μπορεί να ενεργοποιηθεί είτε μηχανικά είτε θερμικά (ή και τα δύο), καθώς συμβαίνει βλάβη της μπαταρίας (δηλαδή, πριν ή λίγο μετά την έναρξη της θερμικής διαφυγής) και φροντίζουν το πρόβλημα πριν καν αρχίσει. .

Τέτοια προγνωστικά ή στιγμιαία αντίμετρα χρειάζονται ιδιαίτερα όταν μια μπαταρία υποβάλλεται σε κρούση ή υψηλή πίεση (όπως ένα ατύχημα όπως ανέφερα και για το προηγούμενο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας US'886) και η εσωτερική της δομή καταστραφεί, προκαλώντας εσωτερικό βραχυκύκλωμα.

Η βασική αρχή βάσει της οποίας λειτουργεί είναι - καθώς εφαρμόζεται μηχανικό φορτίο στην μπαταρία, οι εκκινητές βλάβης μπορούν να προκαλέσουν εκτεταμένη βλάβη ή καταστροφή του ηλεκτροδίου, έτσι ώστε η εσωτερική αντίσταση να αυξηθεί σημαντικά για να μετριάσει τη θερμική διαφυγή ακόμη και πριν συμβεί.

Εδώ έχουν μιλήσει για δύο τύπους εκκινητών ζημιών –

Παθητικοί εκκινητές βλάβης

Αυτοί οι εκκινητές προκαλούν ρωγμές ή εκκένωση στα ηλεκτρόδια κατά την κρούση, και τέτοιες ρωγμές και/ή κενά αυξάνουν την εσωτερική σύνθετη αντίσταση του ηλεκτροδίου και, επομένως, μειώνουν την παραγωγή θερμότητας που σχετίζεται με πιθανό εσωτερικό βραχυκύκλωμα.Τέτοια πρόσθετα είναι γνωστά ως εκκινητές ρωγμών ή κενών (CVIs).

Οι βλάβες του ηλεκτροδίου μπορεί να προκληθούν από αποκόλληση ή αναντιστοιχία ακαμψίας των διεπαφών CVI-ηλεκτροδίου, θραύση και ρήξη του CVI, κ.λπ. Παραδείγματα παθητικών πρόσθετων περιλαμβάνουν στερεά ή πορώδη σωματίδια, στερεές ή κοίλες/πορώδεις ίνες και σωλήνες κ.λπ. μπορεί να σχηματιστεί από υλικά άνθρακα όπως γραφίτης, νανοσωλήνες άνθρακα, ενεργοί άνθρακες, αιθάλη κ.λπ.

Ενεργός εκκινητής βλάβης

Αυτοί οι εκκινητές μπορούν να παράγουν μια σημαντική αλλαγή όγκου ή σχήματος μετά από μηχανική ή θερμική φόρτιση.Οι ενεργοί εκκινητές βλάβης μπορούν να περιλαμβάνουν στερεά ή πορώδη σωματίδια, στερεά ή κοίλα σφαιρίδια, συμπαγείς ή κοίλες/πορώδεις ίνες και σωλήνες, κ.λπ. —Ti—Pt, κ.λπ.

Οι χημικές ουσίες που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια θερμική φυγή μπορεί να είναι τοξικό και σε ακραίες περιπτώσεις, η θερμική διαφυγή μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικές πυρκαγιές ή/και την έκρηξη των μπαταριών.Η θερμοκρασία του αέρα περιβάλλοντος στο περιβάλλον της μπαταρίας πρέπει επίσης να διατηρείται σωστά.Ο έλεγχος αυτών των παραγόντων μειώνει την πιθανότητα για θερμική φυγή .

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