כיצד לעצור את פיצוץ סוללות ליתיום-יון עקב בריחת תרמית?

בריחת תרמית היא בעיה ארוכת שנים שהטרידה תאגידים גדולים כמו טסלה , סמסונג , ו בואינג וקטן כאחד.

ה-Dreamliner 787 של בואינג, שבואינג פירסמה כ-20% חסכוני בדלק, מקורקע בשנת 2013. באותה שנה, דגם S של טסלה עבר חקירת בטיחות פדרלית לאחר שעלה באש לפחות 3 פעמים.בשנה שעברה סמסונג זכרו 2.5 מיליון סמארטפונים של Galaxy Note 7.

עבור כל שלוש החברות, שהן השחקניות המובילות בתחום שלהן, הבעיה הייתה זהה - סוללות הליתיום-יון המותקנות בלב המוצר שלהן כמקור כוח.סוללות הליתיום-יון שהותקנו ב-Tesla Model S, Dreamliner 787 ו-Galaxy Note 7 התפוצצו ללא הרף.

מדוע סוללת ליתיום יון מתפוצצת באופן בלתי צפוי?

סוללות ליתיום יון הן הסוג הנפוץ ביותר של סוללות בכמה תעשיות, אבל האם אתה יודע מה הופך אותן למסוכנות?אם אתה חוקר שעובד עם סוללות Li-ion, היית יודע שאחת הסיבות העיקריות לכך שרוב סוללות הליתיום-יון מתפוצצות היא בגלל בריחת תרמית.

מהי בריחת תרמית ומדוע זה הגורם המוביל לפיצוצי סוללה?
בסוללות ליתיום-יון, הקתודה והאנודה מופרדות על ידי מפריד פוליאתילן דק - לפעמים 10 מיקרון.כאשר המפריד הזה נקרע, קורה קצר חשמלי שמתחיל את התהליך הנקרא בריחה תרמית.

בריחה תרמית מתרחשת בדרך כלל במהלך הטעינה.הטמפרטורה עולה במהירות לנקודת ההיתוך של הליתיום המתכתי וגורמת לתגובה אלימה.

סיבה מרכזית נוספת מאחורי הבריחה התרמית היא חלקיקי מתכת מיקרוסקופיים אחרים הבאים במגע עם חלקים שונים של הסוללה (זה קורה כל הזמן בתהליך הרכבת הסוללה), וכתוצאה מכך לקצר.

בדרך כלל, קצר חשמלי קל יכול לגרום לפריקה עצמית מוגברת ומועט חום נוצר מכיוון שאנרגיית הפריקה נמוכה מאוד.אבל, כאשר מספיק חלקיקי מתכת מיקרוסקופיים מתכנסים לנקודה אחת, יכול להתפתח קצר חשמלי גדול וזרם גדול יזרום בין הלוחות החיוביים והשליליים.

זה גורם לטמפרטורה לעלות, מה שמוביל לבריחה תרמית, המכונה גם 'אוורור עם להבה'.

במהלך בריחה תרמית, החום הגבוה של התא הכושל יכול להתפשט לתא הבא, ולגרום לו להיות לא יציב גם מבחינה תרמית.במקרים מסוימים מתרחשת תגובת שרשרת שבה כל תא מתפרק לפי לוח הזמנים שלו.

מדוע פיצוץ של סוללות ליתיום הוא בעיה מרכזית עבור כולם?

הטלפון החכם בכיס שלך מופעל על ידי א סוללת Li-Ion .הם אחד הסוגים הפופולריים ביותר של סוללות נטענות לאלקטרוניקה ניידת בגלל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן, אפקט הזיכרון הזעיר והפריקה העצמית הנמוכה שלהן.

מעבר לאלקטרוניקה לצרכן, סוללות ליתיום יון פופולריות ליישומי צבא, רכב חשמלי ותעופה וחלל.לדוגמה, סוללות ליתיום יון החליפו את סוללות העופרת-חומצה הקונבנציונליות ששימשו בעבר עבור עגלות גולף ורכבי שירות.

שוק סוללות הליתיום-יון העולמי צפוי להגיע ל-46.21 מיליארד דולר עד 2022, עם CAGR של 10.8% במהלך התקופה 2016-2022.

עבור משהו שהפך לחלק בלתי נפרד מחיי היום-יום שלנו בקצב כה מהיר, אנו אכן מסכנים את חיינו כשהסוללות הללו מסביבנו.

בהתחשב ביישומים שלהם, הם לא ניתנים להחלפה בקלות, אבל אם ניתן היה לפתור את בעיית הבריחה התרמית, האיזון היה חוזר לגן עדן.

כיצד נוכל למנוע בריחת תרמית פנימה בטריות ליתיום ?

1. הצגת מעכב בעירה
בריחה תרמית מתרחשת לעתים קרובות מפנצ'רים וטעינה לא נכונה.כדי להתמודד עם סכנות אש כאלה, הממציאים השתמשו בנוזל תרמי המכיל מעכב בעירה.

מעכב בעירה הוא תרכובת המעכבת, מדכאת או מעכבת את ייצור הלהבות או מונעת התפשטות האש.

כאן הם עטפו את מעכב הבעירה (בדרך כלל תרכובת ברום) בפוליאתילן בצפיפות גבוהה והוסיפו מים ותרכובת גליקול להכנת הנוזל התרמי שבו נעשה שימוש.תרכובת הגליקול משמשת כאן כ"נוגד קיפאון" (תרכובות גליקול נפוצות בשימוש הן אתילן גליקול, דיאתילן גליקול ופרופילן גליקול).

כמו כן, ההמצאה נידונה בעיקר לאור סוללות EV.סוללה כאשר היא נקראת להפעיל רכב חשמלי מתחממת.נוזל תרמי זורם דרך המיכל ומעל המודולים של הסוללה.

במקרה של טעינת יתר, או תאונת דרכים שגרמה לנקב בסוללה, מעכב הבעירה בנוזל התרמי פועל להפחתת סכנת השריפה.ליתר דיוק, מיקרוקפסולות של תרכובת ברום נקרעות כאשר מגיעים לטמפרטורת הקרע בגלל עודף חום האש.מעכב הבעירה משתחרר מהמיקרוקפסולות ופועל לשליטה על האש.

2. שימוש במכשירים ליזום נזק
נראה כי יורש העצר של אוניברסיטת קליפורניה די פעילים במחקר כיצד להתמודד עם בעיית בריחה תרמית.

בשנת 2006, הם הגישו פטנט הקשור לאלקטרוליטים פולימריים עם מודול אלסטי גבוה המתאימים למניעת בריחת תרמית (US8703310).קבוצה אחרת של ממציאים הגישה פטנט זה (כלומר US'535) בשנת 2013, על הפחתת בריחת תרמית באמצעות חומרים או התקנים הגורמים לנזק.

ליתר דיוק, הם פיתחו מנגנון כיבוי תרמית שניתן להפעיל או מכנית או תרמית (או שניהם), כאשר נזק לסוללה קורה (כלומר, לפני או זמן קצר לאחר התחלת הבריחה התרמית) ולטפל בבעיה עוד לפני שהיא יכולה להתחיל .

אמצעים מנבאים או מיידיים כאלה נחוצים במיוחד כאשר סוללה נתונה לפגיעה או לחץ גבוה (כמו תאונה כפי שציינתי גם עבור הפטנט הקודם US'886) והמבנה הפנימי שלה ניזוק, מה שגורם לקצר פנימי.

העיקרון הבסיסי שעל פיו הוא פועל הוא - כאשר עומס מכני מופעל על הסוללה, יוזמי נזק עלולים לגרום לנזק נרחב או הרס של האלקטרודה, כך שההתנגדות הפנימית גדלה באופן משמעותי כדי להפחית בריחת תרמית עוד לפני שזה יכול לקרות.

כאן דיברו על שני סוגים של יוזמי נזקים –

יוזמי נזק פסיבי

יוזמים אלה יוזמים פיצוח או ריקון באלקטרודות בעת הפגיעה, וסדקים ו/או חללים כאלה מגבירים את העכבה הפנימית של האלקטרודה ובכך מפחיתים את ייצור החום הקשור לקצר פנימי אפשרי.תוספים כאלה ידועים בתור יוזמי סדקים או חללים (CVI).

הנזקים של האלקטרודה יכולים להיגרם על ידי ניתוק או אי התאמה של קשיחות של ממשקי CVI-אלקטרודה, שבר וקרע של CVI וכו'. דוגמאות לתוספים פסיביים כוללים חלקיקים מוצקים או נקבוביים, סיבים מוצקים או חלולים/נקבוביים, וצינורות וכו'. יכול להיווצר מחומרי פחמן כגון גרפיט, ננו-צינוריות פחמן, פחמן פעיל, פחמן שחור וכו'.

יוזם נזקים פעיל

יוזמים אלה יכולים לייצר שינוי נפח או צורה משמעותיים בטעינה מכנית או תרמית.יוזמי נזק פעיל יכולים לכלול חלקיקים מוצקים או נקבוביים, חרוזים מוצקים או חלולים, סיבים וצינורות מוצקים או חלולים/נקבוביים וכו'. יוזמי נזק אקטיביים יכולים להיווצר מסגסוגות זיכרון צורה כגון Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt וכו'.

הכימיקלים שמשתחררים במהלך בורח תרמי יכול להיות רעיל ובמקרים קיצוניים, בריחה תרמית עלולה לגרום להתפוצצות שריפות חשמל ו/או סוללות.גם טמפרטורת האוויר הסביבתית בסביבת הסוללה חייבת להישמר כראוי.שליטה בגורמים אלה מפחיתה את הפוטנציאל ל בורח תרמי .

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