Como deter a explosión das baterías de ión-litio debido á fuga térmica?

A fuga térmica é un problema de longa data que molestou a grandes corporacións como Tesla , Samsung , e Boeing e pequenos por igual.

O Dreamliner 787 de Boeing, que Boeing anunciou como un 20% de eficiencia de combustible, foi aterrado en 2013. Ese mesmo ano, o Model S de Tesla foi sometido a unha investigación federal de seguridade despois de que se incendiara polo menos 3 veces.O ano pasado Samsung retirou 2,5 millóns de teléfonos intelixentes Galaxy Note 7.

Para as tres empresas, que son os principais xogadores do seu dominio, o problema foi o mesmo: as baterías de ión-litio instaladas no corazón do seu produto como fonte de enerxía.As baterías de ión-litio instaladas en Tesla Model S, Dreamliner 787 e Galaxy Note 7 explotaban continuamente.

Por que explota de forma inesperada unha batería de iones de litio?

As baterías de iones de litio son o tipo de batería máis utilizada en varias industrias, pero, sabes que as fai perigosas?Se es un investigador que traballa con baterías de ión-litio, sabería que unha das principais razóns polas que a maioría das baterías de ión-litio explotan é debido á fuga térmica.

Que é a fuga térmica e por que é a principal causa das explosións da batería?
Nas baterías de ión-litio, o cátodo e o ánodo están separados por un fino separador de polietileno, ás veces de 10 micras.Cando este separador se rompe, prodúcese un curtocircuíto que inicia o proceso chamado fuga térmica.

A fuga térmica ocorre normalmente durante a carga.A temperatura sobe rapidamente ata o punto de fusión do litio metálico e provoca unha reacción violenta.

Outra razón importante detrás da fuga térmica son outras partículas metálicas microscópicas que entran en contacto con diferentes partes da batería (isto ocorre todo o tempo no proceso de montaxe da batería), o que provoca un curtocircuíto.

Normalmente, un curtocircuíto leve pode provocar unha autodescarga elevada e xérase pouca calor porque a enerxía de descarga é moi baixa.Pero, cando converxen suficientes partículas metálicas microscópicas nun punto, pode desenvolverse un curto eléctrico importante e unha corrente considerable fluirá entre as placas positiva e negativa.

Isto fai que a temperatura aumente, o que provoca unha fuga térmica, tamén denominada "ventilación con chama".

Durante unha fuga térmica, a alta calor da célula en falla pode propagarse á seguinte célula, facendo que tamén se faga térmicamente inestable.Nalgúns casos, prodúcese unha reacción en cadea na que cada célula se desintegra no seu propio horario.

Por que a explosión das baterías de iones de litio é un problema importante para todos?

O teléfono intelixente do peto está alimentado por a Batería Li-Ion .Son un dos tipos máis populares de baterías recargables para dispositivos electrónicos portátiles debido á súa alta densidade de enerxía, ao pequeno efecto de memoria e á baixa autodescarga.

Ademais da electrónica de consumo, as baterías de ión de litio son populares para aplicacións militares, de vehículos eléctricos e aeroespaciais.Por exemplo, as baterías de iones de litio substituíron ás baterías de chumbo-ácido convencionais que se utilizaron históricamente para carros de golf e vehículos utilitarios.

Espérase que o tamaño do mercado global de baterías de ión de litio alcance os 46,21 millóns de dólares para 2022, cun CAGR do 10,8% durante o período 2016-2022.

Por algo que se converteu nunha parte integral da nosa vida cotiá a un ritmo tan rápido, de feito estaríamos arriscando a nosa vida tendo estas baterías ao noso redor.

Dadas as súas aplicacións, non son facilmente substituíbles, pero se se puidese solucionar o problema da fuga térmica, o equilibrio restableceríase no paraíso.

Como podemos evitar a fuga térmica Baterías de iones de litio ?

1. Presentación dun retardador de chama
A fuga térmica adoita ocorrer por pinchazos e carga inadecuada.Para contrarrestar tales riscos de incendio, os inventores utilizaron un fluído térmico que contén un retardante de chama.

Un retardante de chama é un composto que inhibe, suprime ou atrasa a produción de chamas ou impide a propagación do lume.

Aquí teñen microencapsulado o retardante de chama (normalmente un composto de bromo) en polietileno de alta densidade e engadiron auga e un composto de glicol para preparar o fluído térmico utilizado.O composto de glicol úsase aquí como "anticonxelante" (os compostos de glicol comúns utilizados son o etilenglicol, o dietilenglicol e o propilenglicol).

Ademais, a invención é discutida principalmente á luz das baterías de vehículos eléctricos.Unha batería cando se lle chama para alimentar un vehículo eléctrico quéntase.O fluído térmico flúe polo recipiente e polos módulos da batería.

En caso de sobrecarga ou accidente de coche que provoca un pinchazo da batería, o retardante de chama no fluído térmico actúa para reducir o risco de incendio.Máis precisamente, as microcápsulas do composto de bromo rompen cando se alcanza a temperatura de rotura debido ao exceso de calor do lume.O retardante de chama é liberado das microcápsulas e actúa para controlar o lume.

2. Usando dispositivos que provocan danos
Os rexedores da Universidade de California parecen estar moi activos na investigación de como tratar o problema de fuga térmica.

En 2006, presentaron unha patente relacionada con electrólitos de polímeros de alto módulo elástico axeitados para previr a fuga térmica (US8703310).Un conxunto diferente de inventores presentou esta patente (é dicir, US'535) en 2013, para mitigar a fuga térmica mediante materiais ou dispositivos que provocan danos.

Máis precisamente, desenvolveron un mecanismo de apagado por fuga térmica que se pode activar de forma mecánica ou térmica (ou ambos), a medida que se producen danos na batería (é dicir, antes ou pouco despois do inicio da fuga térmica) e coidan o problema antes de que poida comezar. .

Tales contramedidas preditivas ou instantáneas son especialmente necesarias cando unha batería está sometida a impactos ou a alta presión (como un accidente como mencionei tamén para a patente anterior US'886) e a súa estrutura interna está danada, causando un curto interno.

O principio básico sobre o que funciona é: a medida que se aplica unha carga mecánica á batería, os iniciadores de danos poden provocar danos xeneralizados ou destrución do electrodo, polo que a resistencia interna aumenta significativamente para mitigar a fuga térmica incluso antes de que poida ocorrer.

Aquí falaron de dous tipos de iniciadores de danos –

Iniciadores de danos pasivos

Estes iniciadores inician rachaduras ou baleiros nos eléctrodos tras o impacto, e tales fendas e/ou baleiros aumentan a impedancia interna do electrodo e, polo tanto, reducen a xeración de calor asociada ao posible curtocircuito interno.Estes aditivos coñécense como iniciadores de fisuras ou baleiros (CVI).

Os danos nos electrodos poden ser causados ​​pola desconexión ou a falta de coincidencia de rixidez das interfaces CVI-electrodo, fractura e ruptura de CVI, etc. Exemplos de aditivos pasivos inclúen partículas sólidas ou porosas, fibras sólidas ou ocas/porosas e tubos, etc. pode formarse a partir de materiais de carbono como grafito, nanotubos de carbono, carbóns activados, negros de carbón, etc.

Iniciador de danos activo

Estes iniciadores poden producir un cambio significativo de volume ou forma ante unha carga mecánica ou térmica.Os iniciadores de danos activos poden incluír partículas sólidas ou porosas, perlas sólidas ou ocas, fibras e tubos sólidos ou ocos/porosos, etc. Os iniciadores de danos activos poden formarse a partir de aliaxes con memoria de forma como Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt, etc.

Os produtos químicos que se liberan durante fuga térmica pode ser tóxico e, en casos extremos, a fuga térmica pode provocar incendios eléctricos e/ou a explosión das baterías.Tamén se debe manter adecuadamente a temperatura do aire ambiente no ambiente da batería.Controlar estes factores reduce o potencial de fuga térmica .

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