როგორ შევაჩეროთ ლითიუმ-იონური ბატარეების აფეთქება თერმული გაქცევის გამო?

თერმული გაქცევა არის დიდი ხნის პრობლემა, რომელიც აწუხებს დიდ კორპორაციებს, როგორიცაა ტესლა , სამსუნგი , და ბოინგი და ერთნაირად პატარა.

Boeing-ის Dreamliner 787, რომელიც Boeing-მა რეკლამირება მოახდინა, როგორც 20% საწვავის ეფექტურობა, 2013 წელს გააჩერა. იმავე წელს Tesla-ს Model S მოექცა ფედერალური უსაფრთხოების გამოძიების ქვეშ მას შემდეგ, რაც მას ცეცხლი გაუჩნდა მინიმუმ 3-ჯერ.გასულ წელს Samsung-მა გაიწვია 2,5 მილიონი Galaxy Note 7 სმარტფონი.

სამივე კომპანიისთვის, რომლებიც თავიანთი დომენის წამყვანი მოთამაშეები არიან, პრობლემა იგივე იყო - მათი პროდუქტის გულში დამონტაჟებული ლითიუმ-იონური ბატარეები, როგორც ენერგიის წყარო.Tesla Model S-ში, Dreamliner 787-სა და Galaxy Note 7-ში დამონტაჟებული ლითიუმ-იონური ბატარეები განუწყვეტლივ ფეთქდებოდა.

რატომ ფეთქდება მოულოდნელად ლითიუმ იონური ბატარეა?

ლითიუმის იონური ბატარეები არის ყველაზე ხშირად გამოყენებული ტიპის ბატარეები რამდენიმე ინდუსტრიაში, მაგრამ იცით, რა ხდის მათ საშიშს?თუ თქვენ ხართ მკვლევარი, რომელიც მუშაობს ლითიუმ-იონურ ბატარეებზე, გეცოდინებათ, რომ ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი, რის გამოც ლითიუმ-იონური ბატარეების უმეტესობა აფეთქდება, არის თერმული გაქცევა.

რა არის Thermal Runaway და რატომ არის ის ბატარეის აფეთქების წამყვანი მიზეზი?
ლითიუმ-იონურ ბატარეებში კათოდი და ანოდი გამოყოფილია თხელი, ზოგჯერ 10 მიკრონიანი პოლიეთილენის გამყოფით.როდესაც ეს გამყოფი იშლება, ხდება მოკლე ჩართვა, რომელიც იწყებს პროცესს, რომელსაც ეწოდება თერმული გაქცევა.

თერმული გაქცევა ჩვეულებრივ ხდება დატენვის დროს.ტემპერატურა სწრაფად იზრდება მეტალის ლითიუმის დნობის წერტილამდე და იწვევს ძალადობრივ რეაქციას.

თერმული გაქცევის კიდევ ერთი მთავარი მიზეზი არის სხვა მიკროსკოპული ლითონის ნაწილაკები, რომლებიც ეხებიან ბატარეის სხვადასხვა ნაწილს (ეს ყოველთვის ხდება ბატარეის აწყობის პროცესში), რაც იწვევს მოკლე ჩართვას.

ჩვეულებრივ, მსუბუქმა მოკლე ჩართვამ შეიძლება გამოიწვიოს ამაღლებული თვითგამორთვა და წარმოიქმნება მცირე სითბო, რადგან გამონადენი ენერგია ძალიან დაბალია.მაგრამ, როდესაც საკმარისი მიკროსკოპული ლითონის ნაწილაკები ერთ ადგილზე იყრიან თავს, შეიძლება განვითარდეს ძირითადი ელექტრული შტრიხი და დიდი დენი მიედინება დადებით და უარყოფით ფირფიტებს შორის.

ეს იწვევს ტემპერატურის მატებას, რაც იწვევს თერმულ გაქცევას, რომელსაც ასევე მოიხსენიებენ „ცეცხლის გამოშვებას“.

თერმული გაქცევის დროს, დაშლილი უჯრედის მაღალი სიცხე შეიძლება გავრცელდეს შემდეგ უჯრედში, რის გამოც იგი ასევე გახდება თერმულად არასტაბილური.ზოგიერთ შემთხვევაში, ხდება ჯაჭვური რეაქცია, რომლის დროსაც თითოეული უჯრედი იშლება თავისი განრიგის მიხედვით.

რატომ არის ლითიუმ-იონური ბატარეების აფეთქება მთავარი პრობლემა ყველასთვის?

ჯიბეში სმარტფონი იკვებება ა Li-Ion ბატარეა .ისინი ერთ-ერთი ყველაზე პოპულარული ტიპის დატენვის ბატარეებია პორტატული ელექტრონიკისთვის მათი მაღალი ენერგიის სიმკვრივის, მცირე მეხსიერების ეფექტისა და დაბალი თვითგამორთვის გამო.

სამომხმარებლო ელექტრონიკის გარდა, ლითიუმ-იონური ბატარეები პოპულარულია სამხედრო, ელექტრო მანქანებისა და კოსმოსური აპლიკაციებისთვის.მაგალითად, ლითიუმის იონური ბატარეები შეცვალა ჩვეულებრივი ტყვიის მჟავა ბატარეები, რომლებიც ისტორიულად გამოიყენებოდა გოლფის ურიკებისა და კომუნალური მანქანებისთვის.

ლითიუმ-იონური ბატარეების გლობალური ბაზრის ზომა, სავარაუდოდ, 2022 წლისთვის 46,21 მილიარდ დოლარს მიაღწევს, CAGR 10,8%-ით 2016-2022 წლებში.

რაღაცისთვის, რომელიც ასეთი სწრაფი ტემპით ჩვენი ყოველდღიური ცხოვრების განუყოფელ ნაწილად იქცა, ჩვენ ნამდვილად ვისრისებდით ჩვენს სიცოცხლეს ამ ბატარეების გარშემო.

მათი აპლიკაციებიდან გამომდინარე, ისინი ადვილად შესაცვლელი არ არის, მაგრამ თუ თერმული გაქცევის პრობლემა მოგვარდება, ბალანსი აღდგება სამოთხეში.

როგორ ავიცილოთ თავიდან თერმული გაქცევა ლითიუმის იონური ბატარეები ?

1. გაცნობა Flame Retardant
თერმული გაქცევა ხშირად ხდება პუნქციისა და არასწორი დატენვის შედეგად.ასეთი ხანძრის საფრთხის დასაძლევად გამომგონებლებმა გამოიყენეს თერმული სითხე, რომელიც შეიცავს ცეცხლგამძლე ნივთიერებას.

ცეცხლგამძლე არის ნაერთი, რომელიც აფერხებს, თრგუნავს ან ანელებს ცეცხლის წარმოქმნას ან ხელს უშლის ცეცხლის გავრცელებას.

აქ მათ აქვთ მიკროკაფსულირებული ცეცხლგამძლე (ჩვეულებრივ ბრომი ნაერთი) მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენში და დამატებული წყალი და გლიკოლის ნაერთი გამოყენებული თერმული სითხის მოსამზადებლად.გლიკოლის ნაერთი აქ გამოიყენება როგორც "ანტიფრიზი" (ჩვეულებრივი გლიკოლის ნაერთები გამოიყენება ეთილენგლიკოლი, დიეთილენგლიკოლი და პროპილენგლიკოლი).

ასევე, გამოგონება ძირითადად განიხილება EV ბატარეების ფონზე.ბატარეა თბება, როდესაც ელექტრომობილის მოწოდებას ითხოვენ.თერმული სითხე მიედინება კონტეინერში და ბატარეის მოდულებზე.

ზედმეტი დამუხტვის ან ავტოავარიის შემთხვევაში, რამაც გამოიწვია ბატარეის პუნქცია, თერმულ სითხეში ცეცხლგამძლე ნივთიერება ამცირებს ხანძრის საშიშროებას.უფრო ზუსტად, ბრომი ნაერთის მიკროკაფსულები იშლება, როდესაც რღვევის ტემპერატურა მიიღწევა ცეცხლის ზედმეტი სიცხის გამო.ცეცხლგამძლე ნივთიერება გამოიყოფა მიკროკაფსულებიდან და მოქმედებს ცეცხლის კონტროლის ქვეშ.

2. დაზიანების გამომწვევი მოწყობილობების გამოყენება
როგორც ჩანს, კალიფორნიის უნივერსიტეტის რეგენტები საკმაოდ აქტიურები არიან იკვლევენ, თუ როგორ უნდა გაუმკლავდნენ თერმული გაქცევის პრობლემას.

2006 წელს მათ შეიტანეს პატენტი, რომელიც დაკავშირებულია მაღალი ელასტიური მოდულის პოლიმერულ ელექტროლიტებთან, რომლებიც შესაფერისია თერმული გაქცევის თავიდან ასაცილებლად (US8703310).გამომგონებელთა სხვადასხვა ჯგუფმა წარადგინა ეს პატენტი (მაგ. US'535) 2013 წელს, თერმული გაქცევის შერბილების შესახებ დაზიანების გამომწვევი მასალების ან მოწყობილობების გამოყენებით.

უფრო ზუსტად, მათ შეიმუშავეს თერმული გამორთვის მექანიზმი, რომელიც შეიძლება გააქტიურდეს მექანიკურად ან თერმულად (ან ორივე), რადგან ბატარეის დაზიანება ხდება (ანუ თერმული გაქცევის დაწყებამდე ან ცოტა ხნის შემდეგ) და იზრუნებენ პრობლემაზე, სანამ ის დაიწყება. .

ასეთი პროგნოზირებადი ან მყისიერი კონტრზომები განსაკუთრებით საჭიროა, როდესაც ბატარეა ექვემდებარება ზემოქმედებას ან მაღალ წნევას (როგორც უბედური შემთხვევა, როგორც აღვნიშნე წინა პატენტი US'886-ზეც) და მისი შიდა სტრუქტურა დაზიანებულია, რაც იწვევს შიდა უკმარისობას.

ძირითადი პრინციპი, რომლითაც ის მუშაობს, არის - როგორც მექანიკური დატვირთვა ვრცელდება ბატარეაზე, დაზიანების ინიციატორი შეიძლება გამოიწვიოს ელექტროდის ფართო დაზიანება ან განადგურება ისე, რომ შიდა წინააღმდეგობა მნიშვნელოვნად გაიზარდოს თერმული გაქცევის შესამცირებლად, სანამ ეს მოხდება.

აქ ისაუბრეს ორი სახის ზიანის ინიციატორზე -

პასიური დაზიანების ინიციატორები

ეს ინიციატორები იწვევენ ელექტროდებში გატეხვას ან დაცლას შეხებისას, და ასეთი ბზარები და/ან სიცარიელეები ზრდის ელექტროდის შიდა წინაღობას და, ამრიგად, ამცირებს სითბოს წარმოქმნას, რომელიც დაკავშირებულია შესაძლო შიდა მოკლევასთან.ასეთი დანამატები ცნობილია როგორც ბზარები ან სიცარიელეების ინიციატორები (CVI).

ელექტროდის დაზიანება შეიძლება გამოწვეული იყოს CVI-ელექტროდის ინტერფეისების შებოჭვით ან სიხისტის შეუსაბამობით, CVI-ის მოტეხილობით და რღვევით და ა.შ. პასიური დანამატების მაგალითებია მყარი ან ფოროვანი ნაწილაკები, მყარი ან ღრუ/ფოროვანი ბოჭკოები და მილები და ა.შ. შეიძლება ჩამოყალიბდეს ნახშირბადის მასალებისგან, როგორიცაა გრაფიტი, ნახშირბადის ნანომილები, გააქტიურებული ნახშირბადები, ნახშირბადის შავი და ა.შ.

დაზიანების აქტიური ინიციატორი

ამ ინიციატორებს შეუძლიათ წარმოქმნან მნიშვნელოვანი მოცულობის ან ფორმის ცვლილება მექანიკური ან თერმული დატვირთვისას.დაზიანების აქტიური ინიციატორები შეიძლება შეიცავდეს მყარ ან ფოროვან ნაწილაკებს, მყარ ან ღრუ მძივებს, მყარ ან ღრუ/ფოროვან ბოჭკოებს და მილებს და ა.შ. აქტიური დაზიანების ინიციატორები შეიძლება წარმოიქმნას ფორმის მეხსიერების შენადნობებისგან, როგორიცაა Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni. — Ti — Pt და ა.შ.

ქიმიკატები, რომლებიც გამოიყოფა დროს თერმული გაქცევა შეიძლება იყოს ტოქსიკური და ექსტრემალურ შემთხვევებში, თერმულმა გაქცევამ შეიძლება გამოიწვიოს ელექტრო ხანძარი და/ან ბატარეების აფეთქება.ბატარეის გარემოში ატმოსფერული ჰაერის ტემპერატურა ასევე სათანადოდ უნდა იყოს დაცული.ამ ფაქტორების კონტროლი ამცირებს პოტენციალს თერმული გაქცევა .

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