Hvernig á að stöðva sprengingu á litíumjónarafhlöðum vegna hitauppstreymis?

Hitauppstreymi er langvarandi vandamál sem hefur truflað stór fyrirtæki eins og Tesla , Samsung , og Boeing og lítil eins.

Boeing Dreamliner 787, sem Boeing auglýsti sem 20% sparneytna, var kyrrsett árið 2013. Sama ár fór Tesla Model S undir alríkisöryggisrannsókn eftir að kviknaði í henni að minnsta kosti 3 sinnum.Á síðasta ári innkallaði Samsung 2,5 milljónir Galaxy Note 7 snjallsíma.

Fyrir öll fyrirtækin þrjú, sem eru efstir á sínu ríki, var vandamálið það sama - Lithium-Ion rafhlöðurnar settar upp í hjarta vöru þeirra sem aflgjafa.Lithium-ion rafhlöðurnar sem settar voru upp í Tesla Model S, Dreamliner 787 og Galaxy Note 7 voru að springa stöðugt.

Af hverju springur litíumjónarafhlaða óvænt?

Lithium ion rafhlöður eru mest notaðar rafhlöður í nokkrum atvinnugreinum en veistu hvað gerir þær hættulegar?Ef þú ert fræðimaður sem vinnur með Li-ion rafhlöður, myndir þú vita að ein helsta ástæðan fyrir því að flestar litíum-rafhlöður springa er vegna hitauppstreymis.

Hvað er hitauppstreymi og hvers vegna það er helsta orsök rafhlöðusprenginga?
Í litíumjónarafhlöðum eru bakskaut og rafskaut aðskilin með þunnum – stundum 10 míkron – pólýetýlenskilju.Þegar þessi skilju springur verður skammhlaup sem kemur af stað ferli sem kallast hitauppstreymi.

Hitahlaup á sér stað venjulega meðan á hleðslu stendur.Hitastigið hækkar fljótt að bræðslumarki málmlitíumsins og veldur kröftugum viðbrögðum.

Önnur meginástæða á bak við hitauppstreymi er aðrar smásæjar málmagnir sem komast í snertingu við mismunandi hluta rafhlöðunnar (þetta gerist alltaf í rafhlöðusamsetningarferlinu), sem leiðir til skammhlaups.

Venjulega getur væg skammhlaup valdið aukinni sjálfsafhleðslu og lítill hiti myndast vegna þess að losunarorkan er mjög lítil.En þegar nógu margar smásæjar málm agnir renna saman á einum stað, getur myndast meiriháttar rafmagns stutt og töluverður straumur mun flæða á milli jákvæðu og neikvæðu plötunnar.

Þetta veldur því að hitastigið hækkar, sem leiðir til hitauppstreymis, einnig nefnt „útblástur með loga“.

Meðan á hitauppstreymi stendur getur mikill hiti bilaðrar frumu breiðst út í næstu frumu, sem veldur því að hún verður einnig varmaóstöðug.Í sumum tilfellum á sér stað keðjuverkun þar sem hver fruma sundrast á sinni eigin tímaáætlun.

Af hverju er sprenging á Li-Ion rafhlöðum stórt vandamál fyrir alla?

Snjallsíminn í vasanum er knúinn af a Li-Ion rafhlaða .Þær eru ein af vinsælustu gerðum af endurhlaðanlegum rafhlöðum fyrir flytjanlegar rafeindatækni vegna mikillar orkuþéttleika, örsmárra minnisáhrifa og lítillar sjálfsafhleðslu.

Fyrir utan rafeindatækni eru litíumjónarafhlöður vinsælar fyrir hernaðar-, rafknúin farartæki og flugvélar.Til dæmis hafa litíumjónarafhlöður komið í stað hefðbundinna blýsýrurafhlöðu sem hafa verið notaðar í gegnum tíðina fyrir golfbíla og flutningabíla.

Gert er ráð fyrir að alþjóðlegur litíumjónarafhlaðamarkaður nái 46,21 milljörðum Bandaríkjadala árið 2022, með CAGR upp á 10,8% á tímabilinu 2016-2022.

Fyrir eitthvað sem hefur orðið óaðskiljanlegur hluti af daglegu lífi okkar á svo miklum hraða, myndum við sannarlega hætta lífi okkar með þessar rafhlöður í kringum okkur.

Miðað við notkun þeirra er ekki auðvelt að skipta um þau en ef hægt væri að leysa hitauppstreymi vandamálið myndi jafnvægið koma aftur í paradís.

Hvernig getum við komið í veg fyrir hitauppstreymi inn Lithium Ion rafhlöður ?

1. Kynning á logavarnarefni
Hitahlaup verður oft vegna stunga og óviðeigandi hleðslu.Til að vinna gegn slíkri eldhættu notuðu uppfinningamennirnir varmavökva sem inniheldur logavarnarefni.

Logavarnarefni er efnasamband sem hindrar, bælir eða seinkar framleiðslu elds eða kemur í veg fyrir útbreiðslu elds.

Hér hafa þeir örhyljað logavarnarefnið (venjulega brómefnasamband) í háþéttni pólýetýlen og bætt við vatni og glýkólsambandi til að undirbúa varmavökvann sem notaður er.Glýkól efnasambandið er notað hér sem „frostvarnarefni“ (algeng glýkól efnasambönd sem notuð eru eru etýlen glýkól, díetýlen glýkól og própýlen glýkól).

Einnig er uppfinningin að mestu rædd í ljósi rafgeyma rafgeyma.Rafhlaða hitnar þegar hún er kölluð til að knýja rafknúið ökutæki.Varmavökvi rennur í gegnum ílátið og yfir einingar rafhlöðunnar.

Ef ofhleðsla verður, eða bílslys sem leiðir til gats á rafhlöðu, virkar logavarnarefnið í hitavökvanum til að draga úr eldhættu.Nánar tiltekið rifna brómblönduð örhylki þegar rofhitastig er náð vegna ofhita eldsins.Logavarnarefnið losnar úr örhylkjunum og vinnur að því að ná tökum á eldinum.

2. Notkun tjónabúnaðar
Regents of the University of California virðist vera ansi virkir í að rannsaka hvernig eigi að takast á við hitauppstreymi vandamál.

Árið 2006 lögðu þeir fram einkaleyfi sem tengist fjölliða raflausnum með háum teygjanleika sem henta til að koma í veg fyrir hitauppstreymi (US8703310).Önnur hópur uppfinningamanna hefur lagt fram þetta einkaleyfi (þ.e. US'535) árið 2013, um að draga úr hitauppstreymi með því að nota efni eða tæki sem koma af stað skemmdum.

Nánar tiltekið, þeir hafa þróað stöðvunarkerfi fyrir hitauppstreymi sem hægt er að kveikja á annað hvort vélrænt eða varma (eða bæði), þar sem rafhlöðuskemmdir verða (þ.e. áður en eða stuttu eftir að hitauppstreymi byrjar) og leysa vandamálið áður en það getur jafnvel byrjað .

Slíkar fyrirsjáanlegar eða tafarlausar mótvægisaðgerðir eru sérstaklega nauðsynlegar þegar rafhlaða verður fyrir höggi eða miklum þrýstingi (eins og slys eins og ég nefndi fyrir fyrra einkaleyfi US'886 líka) og innri uppbygging hennar skemmd, sem veldur innri skammhlaupi.

Grundvallarreglan sem það starfar á er - þar sem vélrænu álagi er beitt á rafhlöðuna, geta tjónavirkjar valdið víðtækum skemmdum eða eyðileggingu á rafskautinu þannig að innri viðnám eykst verulega til að draga úr hitauppstreymi jafnvel áður en það getur gerst.

Hér hafa þeir talað um tvenns konar tjónaupphafa –

Óvirkir skemmdir frumkvöðlar

Þessir ræsitæki koma af stað sprungu eða tómi í rafskautum við högg, og slíkar sprungur og/eða holur auka innri viðnám rafskautsins og draga þannig úr hitamyndun sem tengist hugsanlegri innri skammtengingu.Slík aukefni eru þekkt sem sprungur eða tómaræsiefni (CVI).

Rafskautaskemmdirnar geta stafað af losun eða stífleika misræmis á CVI-rafskautaskilum, broti og rof á CVI o.s.frv. Dæmi um óvirk aukefni eru fastar eða gljúpar agnir, fastar eða holar/gljúpar trefjar, og rör o.s.frv. geta myndast úr kolefnisefnum eins og grafíti, kolefnisnanorörum, virku kolefni, kolsvarti o.s.frv.

Virkur skemmdarverktaki

Þessir frumkvöðlar geta valdið umtalsverðri breytingu á rúmmáli eða lögun við vélrænni eða hitauppstreymi.Virkir skemmdir geta falið í sér fastar eða gljúpar agnir, fastar eða holar perlur, solid eða holar/gljúpar trefjar og rör, o.s.frv. Virkir skaðaræsir geta verið myndaðir úr málmblöndur með formminni eins og Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt osfrv.

Efnin sem losna við hitauppstreymi getur verið eitrað og í erfiðustu tilfellum getur hitauppstreymi valdið því að rafmagnsbruna og/eða rafhlöður springi.Umhverfishitastig í rafhlöðuumhverfi verður einnig að vera rétt viðhaldið.Að stjórna þessum þáttum dregur úr möguleikum á hitauppstreymi .

Heimild: https://www.greyb.com/prevent-thermal-runaway-problem-li-ion-battery/