Kuidas peatada liitiumioonakude plahvatus termilise äravoolu tõttu?

Termiline põgenemine on pikaajaline probleem, mis on seganud suuri ettevõtteid Tesla , Samsung ja Boeing ja nii väikesed.

Boeingi Dreamliner 787, mille Boeing reklaamis 20% kütusesäästlikuna, pandi maasse 2013. aastal. Samal aastal langes Tesla mudel S föderaalse ohutusjuurdluse alla, kuna see süttis vähemalt 3 korda.Eelmisel aastal kutsus Samsung tagasi 2,5 miljonit Galaxy Note 7 nutitelefoni.

Kõigi kolme ettevõtte puhul, kes on oma valdkonna tipptegijad, oli probleem sama – liitium-ioon akud, mis paigaldati nende toote südamesse toiteallikana.Tesla Model S-i, Dreamliner 787-sse ja Galaxy Note 7-sse paigaldatud liitiumioonakud plahvatasid pidevalt.

Miks liitiumioonaku ootamatult plahvatab?

Liitiumioonakud on mitmes tööstusharus enimkasutatavad akud, kuid kas teate, mis muudab need ohtlikuks?Kui olete liitium-ioonakudega töötav teadlane, teaksite, et üks peamisi põhjusi, miks enamik liitiumioonakusid plahvatab, on termiline ärajooks.

Mis on termiline põgenemine ja miks see on aku plahvatuste peamine põhjus?
Liitiumioonakudes eraldatakse katood ja anood õhukese – mõnikord 10 mikroni suuruse – polüetüleenseparaatoriga.Kui see eraldaja puruneb, tekib lühis, mis käivitab protsessi, mida nimetatakse termiliseks põgenemiseks.

Termiline jooksmine toimub tavaliselt laadimise ajal.Temperatuur tõuseb kiiresti metallilise liitiumi sulamistemperatuurini ja põhjustab ägeda reaktsiooni.

Teine suur termilise põgenemise põhjus on teised mikroskoopilised metalliosakesed, mis puutuvad kokku aku erinevate osadega (seda juhtub aku kokkupanemise protsessis kogu aeg), mille tulemuseks on lühis.

Tavaliselt võib kerge lühis põhjustada kõrgendatud isetühjenemise ja soojust tekib vähe, kuna tühjenemisenergia on väga madal.Kuid kui piisavalt mikroskoopilisi metalliosakesi koondub ühte kohta, võib tekkida suur elektrilühis ja positiivsete ja negatiivsete plaatide vahel voolab suur vool.

See põhjustab temperatuuri tõusu, mis toob kaasa termilise põgenemise, mida nimetatakse ka "leegiga õhutamiseks".

Termilise põgenemise ajal võib rikkis oleva raku kõrge kuumus levida järgmisse rakku, muutes selle ka termiliselt ebastabiilseks.Mõnel juhul toimub ahelreaktsioon, mille käigus iga rakk laguneb oma aja jooksul.

Miks on liitiumioonakude plahvatus kõigi jaoks suur probleem?

Taskus oleva nutitelefoni toiteallikaks on a Li-Ion aku .Need on oma suure energiatiheduse, väikese mäluefekti ja vähese isetühjenemise tõttu üks populaarsemaid laetavate akude tüüpe kaasaskantava elektroonika jaoks.

Lisaks olmeelektroonikale on liitiumioonakud populaarsed sõjaliste, elektrisõidukite ja kosmosesõidukite jaoks.Näiteks liitiumioonakud on asendanud tavapärased plii-happeakud, mida on ajalooliselt kasutatud golfikärude ja tarbesõidukite jaoks.

Ülemaailmse liitiumioonakude turu suurus peaks 2022. aastaks ulatuma 46,21 miljardi dollarini, CAGR-iga 10,8% perioodil 2016–2022.

Millegi puhul, millest on nii kiires tempos saanud meie igapäevaelu lahutamatu osa, riskiksime oma eluga, kui need patareid meie ümber on.

Arvestades nende rakendusi, ei ole need kergesti asendatavad, kuid kui termilise põgenemise probleem saaks lahendada, taastuks tasakaal paradiisis.

Kuidas vältida termilist sissejooksu Liitiumioonakud ?

1. Tutvustame leegiaeglustit
Termiline jooksmine tekib sageli läbitorkamise ja ebaõige laadimise tõttu.Selliste tuleohtude vastu võitlemiseks kasutasid leiutajad termilist vedelikku, mis sisaldab leegiaeglustit.

Leegiaeglusti on ühend, mis pärsib, summutab või aeglustab leegi teket või takistab tule levikut.

Siin on nad mikrokapseldanud leegiaeglusti (tavaliselt broomiühendi) suure tihedusega polüetüleeni ning lisanud vett ja glükooliühendit kasutatava termilise vedeliku valmistamiseks.Glükooliühendit kasutatakse siin antifriisina (tavalised glükooliühendid on etüleenglükool, dietüleenglükool ja propüleenglükool).

Samuti käsitletakse leiutist enamasti EV akude valguses.Aku kuumeneb, kui seda kutsutakse elektrisõiduki toiteks.Termiline vedelik voolab läbi mahuti ja üle aku moodulite.

Ülelaadimise või autoõnnetuse korral, mille tulemuseks on aku läbitorkamine, vähendab termilise vedeliku leegiaeglusti tuleohtu.Täpsemalt, broomiühendi mikrokapslid purunevad, kui rebenemistemperatuur on saavutatud tule liigse kuumuse tõttu.Leegiaeglusti vabaneb mikrokapslitest ja toimib tule kontrolli all hoidmiseks.

2. Kahju tekitavate seadmete kasutamine
California ülikooli regentid näivad olevat üsna aktiivsed, uurides, kuidas termilise põgenemise probleemiga toime tulla.

2006. aastal esitasid nad patendi, mis on seotud kõrge elastsusmooduliga polümeerelektrolüütidega, mis sobivad termilise jooksmise vältimiseks (US8703310).Erinevad leiutajad on 2013. aastal esitanud selle patendi (st US'535), mis käsitleb termilise põgenemise leevendamist kahjustusi tekitavate materjalide või seadmete abil.

Täpsemalt on nad välja töötanud termilise väljalülitusmehhanismi, mida saab käivitada kas mehaaniliselt või termiliselt (või mõlemalt), kui aku kahjustub (st enne või vahetult pärast termilise põgenemise käivitumist) ja lahendab probleemi enne, kui see võib isegi alata. .

Sellised ennustavad või hetkelised vastumeetmed on eriti vajalikud siis, kui aku on kokku puutunud löögi või kõrge rõhuga (nagu õnnetus, nagu mainisin ka eelmise patendi US'886 puhul) ja selle sisemine struktuur on kahjustatud, põhjustades sisemise lühise.

Põhiprintsiip, mille alusel see töötab, on – kui akule rakendatakse mehhaanilist koormust, võivad kahjustuse tekitajad põhjustada elektroodi ulatuslikke kahjustusi või hävimist, nii et sisetakistus suureneb oluliselt, et leevendada termilist äravoolu isegi enne, kui see juhtuda saab.

Siin on räägitud kahte tüüpi kahjualgatajatest –

Passiivsete kahjustuste algatajad

Need initsiaatorid tekitavad kokkupõrkel elektroodides pragusid või tühjenemist ning sellised praod ja/või tühimikud suurendavad elektroodi sisemist impedantsi ja seega vähendavad võimaliku sisemise lühisega seotud soojuse teket.Selliseid lisandeid tuntakse pragude või tühimike initsiaatoritena (CVI).

Elektroodide kahjustused võivad olla põhjustatud CVI-elektroodi liideste lahtiühendamisest või jäikuse mittevastavusest, CVI murdumisest ja purunemisest jne. Passiivsete lisandite näideteks on tahked või poorsed osakesed, tahked või õõnsad/poorsed kiud ja torud jne. saab moodustada süsinikmaterjalidest nagu grafiit, süsiniknanotorud, aktiivsöed, tahm jne.

Aktiivne kahjustuse algataja

Need initsiaatorid võivad mehaanilisel või termilisel koormusel tekitada märkimisväärse mahu või kuju muutuse.Aktiivsete kahjustuste initsiaatorite hulka võivad kuuluda tahked või poorsed osakesed, tahked või õõnsad helmed, tahked või õõnsad/poorsed kiud ja torud jne. Aktiivseid kahjustuse initsiaatoreid saab moodustada kujumälu sulamitest nagu Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt jne.

Kemikaalid, mis vabanevad ajal termiline põgenemine võib olla mürgine ja äärmuslikel juhtudel võib termiline põgenemine põhjustada elektritulekahju ja/või akude plahvatuse.Aku keskkonnas tuleb korralikult hoida ka ümbritseva õhu temperatuuri.Nende tegurite kontrollimine vähendab võimalust termiline põgenemine .

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