Come fermare l'esplosione delle batterie agli ioni di litio dovuta alla fuga termica?

La fuga termica è un problema di lunga data che ha infastidito grandi aziende come Tesla , SAMSUNG , E Boeing e piccoli allo stesso modo.

Il Dreamliner 787 di Boeing, che Boeing pubblicizzava come efficiente al 20% nei consumi, è stato messo a terra nel 2013. Nello stesso anno, la Model S di Tesla è stata sottoposta a un'indagine federale sulla sicurezza dopo aver preso fuoco almeno 3 volte. L’anno scorso Samsung ha richiamato 2,5 milioni di smartphone Galaxy Note 7.

Per tutte e tre le aziende, che sono i principali attori nel loro settore, il problema era lo stesso: le batterie agli ioni di litio installate nel cuore del loro prodotto come fonte di alimentazione. Le batterie agli ioni di litio installate sulla Tesla Model S, sul Dreamliner 787 e sul Galaxy Note 7 esplodevano continuamente.

Perché una batteria agli ioni di litio esplode inaspettatamente?

Le batterie agli ioni di litio sono il tipo di batteria più utilizzato in diversi settori, ma sai cosa le rende pericolose? Se sei un ricercatore che lavora con le batterie agli ioni di litio, sapresti che uno dei motivi principali per cui la maggior parte delle batterie agli ioni di litio esplodono è la fuga termica.

Che cos'è la fuga termica e perché è la causa principale delle esplosioni delle batterie?
Nelle batterie agli ioni di litio, il catodo e l'anodo sono separati da un sottile separatore di polietilene, a volte 10 micron. Quando questo separatore si rompe, si verifica un cortocircuito che avvia il processo chiamato fuga termica.

La fuga termica si verifica solitamente durante la ricarica. La temperatura sale rapidamente fino al punto di fusione del litio metallico e provoca una reazione violenta.

Un altro motivo importante alla base dell'instabilità termica è che altre microscopiche particelle metalliche entrano in contatto con diverse parti della batteria (questo accade continuamente nel processo di assemblaggio della batteria), provocando un cortocircuito.

Di solito, un lieve cortocircuito può causare un'elevata autoscarica e viene generato poco calore perché l'energia di scarica è molto bassa. Ma, quando un numero sufficiente di particelle metalliche microscopiche convergono in un punto, può svilupparsi un grave cortocircuito elettrico e una corrente considerevole scorrerà tra le piastre positive e negative.

Ciò provoca un aumento della temperatura, portando ad una fuga termica, definita anche "sfiato con fiamma".

Durante un'instabilità termica, l'elevato calore della cella guasta può propagarsi alla cella successiva, rendendola anch'essa termicamente instabile. In alcuni casi, si verifica una reazione a catena in cui ciascuna cellula si disintegra secondo i propri tempi.

Perché l'esplosione delle batterie agli ioni di litio è un problema importante per tutti?

Lo smartphone in tasca è alimentato da a Batteria agli ioni di litio . Sono uno dei tipi più popolari di batterie ricaricabili per dispositivi elettronici portatili grazie alla loro elevata densità di energia, al minimo effetto memoria e alla bassa autoscarica.

Oltre all'elettronica di consumo, le batterie agli ioni di litio sono popolari per applicazioni militari, per veicoli elettrici e aerospaziali. Ad esempio, le batterie agli ioni di litio hanno sostituito le tradizionali batterie al piombo-acido storicamente utilizzate per i golf cart e i veicoli commerciali.

Si prevede che la dimensione del mercato globale delle batterie agli ioni di litio raggiungerà i 46,21 miliardi di dollari entro il 2022, con un CAGR del 10,8% nel periodo 2016-2022.

Per qualcosa che è diventato parte integrante della nostra vita quotidiana a un ritmo così veloce, rischieremmo davvero la vita avendo queste batterie intorno a noi.

Date le loro applicazioni, non sono facilmente sostituibili, ma se il problema dell’instabilità termica potesse essere risolto, l’equilibrio si ristabilirebbe in paradiso.

Come possiamo prevenire la fuga termica Batterie agli ioni di litio ?

1. Presentazione di un ritardante di fiamma
La fuga termica spesso si verifica a causa di forature e ricarica impropria. Per contrastare tali rischi di incendio, gli inventori hanno utilizzato un fluido termico che contiene un ritardante di fiamma.

Un ritardante di fiamma è un composto che inibisce, sopprime o ritarda la produzione di fiamme o impedisce la propagazione del fuoco.

Qui hanno microincapsulato il ritardante di fiamma (solitamente un composto di bromo) in polietilene ad alta densità e hanno aggiunto acqua e un composto glicolico per preparare il fluido termico utilizzato. Il composto di glicole viene utilizzato qui come "antigelo" (i composti di glicole comunemente utilizzati sono glicole etilenico, glicole dietilenico e glicole propilenico).

Inoltre, l’invenzione viene discussa principalmente alla luce delle batterie dei veicoli elettrici. Una batteria quando viene chiamata ad alimentare un veicolo elettrico si riscalda. Il fluido termico scorre attraverso il contenitore e sui moduli della batteria.

In caso di sovraccarico o di incidente stradale con conseguente foratura della batteria, il ritardante di fiamma contenuto nel fluido termico agisce riducendo il rischio di incendio. Più precisamente, le microcapsule del composto del bromo si rompono quando viene raggiunta la temperatura di rottura a causa dell'eccesso di calore del fuoco. Il ritardante di fiamma viene rilasciato dalle microcapsule e agisce per tenere sotto controllo il fuoco.

2. Utilizzo di dispositivi che provocano danni
I reggenti dell'Università della California sembrano essere piuttosto attivi nella ricerca su come affrontare il problema dell'instabilità termica.

Nel 2006, hanno depositato un brevetto relativo ad elettroliti polimerici ad alto modulo elastico adatti a prevenire la fuga termica (US8703310). Un diverso gruppo di inventori ha depositato questo brevetto (ovvero US'535) nel 2013, sulla mitigazione della fuga termica utilizzando materiali o dispositivi che provocano danni.

Più precisamente, hanno sviluppato un meccanismo di arresto per instabilità termica che può essere attivato meccanicamente o termicamente (o entrambi), quando si verifica un danno alla batteria (ovvero, prima o subito dopo l'inizio dell'instabilità termica) e si occupano del problema prima ancora che possa iniziare .

Tali contromisure predittive o istantanee sono particolarmente necessarie quando una batteria è soggetta a impatto o alta pressione (come un incidente, come ho menzionato anche per il precedente brevetto US'886) e la sua struttura interna è danneggiata, causando un cortocircuito interno.

Il principio di base su cui funziona è che quando un carico meccanico viene applicato alla batteria, i responsabili del danno possono provocare danni diffusi o la distruzione dell'elettrodo in modo che la resistenza interna aumenti in modo significativo per mitigare l'instabilità termica ancor prima che possa verificarsi.

Qui si è parlato di due tipologie di provocatori di danno –

Iniziatori passivi di danno

Questi iniziatori avviano fessurazioni o vuoti negli elettrodi in seguito all'impatto, e tali crepe e/o vuoti aumentano l'impedenza interna dell'elettrodo e, quindi, riducono la generazione di calore associata a possibili cortocircuiti interni. Tali additivi sono noti come iniziatori di crepe o vuoti (CVI).

I danni agli elettrodi possono essere causati da distacco o mancata corrispondenza della rigidità delle interfacce CVI-elettrodo, frattura e rottura di CVI, ecc. Esempi di additivi passivi includono particelle solide o porose, fibre solide o cave/porose e tubi, ecc. può essere formato da materiali di carbonio come grafite, nanotubi di carbonio, carboni attivi, nerofumo, ecc.

Iniziatore di danno attivo

Questi iniziatori possono produrre un cambiamento significativo di volume o forma in seguito a un carico meccanico o termico. Gli iniziatori di danno attivo possono includere particelle solide o porose, sfere solide o cave, fibre e tubi solidi o cavi/porosi, ecc. Gli iniziatori di danno attivo possono essere formati da leghe a memoria di forma come Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt, ecc.

Le sostanze chimiche rilasciate durante fuga termica può essere tossico e, in casi estremi, la fuga termica può causare incendi elettrici e/o l'esplosione delle batterie. Anche la temperatura dell'aria ambiente nell'ambiente della batteria deve essere mantenuta adeguatamente. Il controllo di questi fattori riduce il potenziale di fuga termica .

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