열 폭주로 인한 리튬 이온 배터리 폭발을 막는 방법은 무엇입니까?

열폭주(Thermal runaway)는 다음과 같은 대기업을 괴롭혀온 오랜 문제입니다. 테슬라 , 삼성 , 그리고 보잉 그리고 작은 것도 마찬가지다.

보잉이 연료 효율이 20%라고 광고한 보잉의 드림라이너 787은 2013년 운항이 중단됐다. 같은 해 테슬라의 모델 S에는 최소 3차례 화재가 발생한 뒤 연방 안전 조사를 받았다. 삼성전자는 지난해 갤럭시노트7 스마트폰 250만대를 리콜했다.

해당 분야의 최고 기업인 세 회사 모두 문제는 동일했습니다. 리튬 이온 배터리가 제품 중심부에 전원으로 설치되어 있다는 것입니다. 테슬라 모델S와 드림라이너 787, 갤럭시노트7에 탑재된 리튬이온 배터리가 연이어 폭발했다.

리튬 이온 배터리가 예기치 않게 폭발하는 이유는 무엇입니까?

리튬 이온 배터리는 여러 산업 분야에서 가장 많이 사용되는 배터리 유형이지만 무엇이 배터리를 위험하게 만드는지 알고 계십니까? 리튬 이온 배터리를 연구하는 연구원이라면 대부분의 리튬 이온 배터리가 폭발하는 주요 이유 중 하나가 열 폭주 때문이라는 것을 알고 계실 것입니다.

열 폭주란 무엇이며 왜 배터리 폭발의 주요 원인입니까?
리튬 이온 배터리에서 양극과 양극은 얇은(때때로 10 마이크론) 폴리에틸렌 분리막으로 분리됩니다. 이 분리막이 파열되면 열 폭주라는 프로세스가 시작되는 단락이 발생합니다.

열 폭주는 일반적으로 충전 중에 발생합니다. 온도는 금속 리튬의 녹는점까지 빠르게 상승하여 격렬한 반응을 일으킵니다.

열 폭주의 또 다른 주요 원인은 다른 미세한 금속 입자가 배터리의 다른 부분과 접촉하여(배터리 조립 과정에서 항상 발생함) 단락을 초래하기 때문입니다.

일반적으로 가벼운 단락으로 인해 자체 방전이 증가할 수 있으며 방전 에너지가 매우 낮기 때문에 열이 거의 발생하지 않습니다. 그러나 충분한 양의 미세한 금속 입자가 한 지점에 모이면 심각한 전기 단락이 발생할 수 있으며 양극판과 음극판 사이에 상당한 전류가 흐를 수 있습니다.

이로 인해 온도가 상승하고 열 폭주('화염 배출'이라고도 함)가 발생합니다.

열 폭주 중에 고장난 셀의 높은 열이 다음 셀로 전파되어 열적으로 불안정해질 수도 있습니다. 어떤 경우에는 각 세포가 고유한 시간표에 따라 분해되는 연쇄 반응이 발생합니다.

리튬 이온 배터리의 폭발이 왜 모두에게 중요한 문제입니까?

주머니에 있는 스마트폰은 전원을 공급받습니다. 리튬이온 배터리 . 이는 높은 에너지 밀도, 작은 메모리 효과 및 낮은 자체 방전으로 인해 휴대용 전자 제품에 가장 널리 사용되는 충전식 배터리 유형 중 하나입니다.

가전제품 외에도 리튬 이온 배터리는 군용, 전기 자동차, 항공우주 분야에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리는 역사적으로 골프 카트와 다용도 차량에 사용되었던 기존 납축 ​​배터리를 대체했습니다.

세계 리튬 이온 배터리 시장 규모는 2016~2022년 연평균 성장률(CAGR) 10.8%로 성장해 2022년까지 462억 1천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

그렇게 빠른 속도로 우리 일상생활의 필수적인 부분이 된 무언가에 대해, 우리는 실제로 이러한 배터리를 우리 주변에 가지고 있으면 목숨을 걸고 있을 것입니다.

용도를 고려하면 쉽게 교체할 수는 없지만 열폭주 문제가 해결된다면 균형은 천국에서 회복될 것입니다.

열 폭주를 방지하는 방법 리튬 이온 배터리 ?

1. 난연제 도입
열 폭주는 종종 펑크나 부적절한 충전으로 인해 발생합니다. 이러한 화재 위험에 대응하기 위해 발명자들은 난연제를 함유한 열유체를 사용했습니다.

난연제는 화염의 생성을 억제, 억제 또는 지연시키거나 화재의 확산을 방지하는 화합물입니다.

여기에서는 고밀도 폴리에틸렌에 난연제(보통 브롬 화합물)를 마이크로캡슐화하고 물과 글리콜 화합물을 첨가하여 사용되는 열 유체를 준비합니다. 여기서 글리콜 화합물은 "부동액"으로 사용됩니다(일반적으로 사용되는 글리콜 화합물은 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜입니다).

또한 본 발명은 주로 EV 배터리를 중심으로 논의된다. 전기 자동차에 전원을 공급할 때 배터리가 뜨거워집니다. 열유체는 컨테이너를 통해 배터리 모듈 위로 흐릅니다.

과충전이 발생하거나 자동차 사고로 인해 배터리 구멍이 발생한 경우 열 유동의 난연제가 화재 위험을 줄이는 역할을 합니다. 더 정확하게 말하면, 브롬 화합물 마이크로캡슐은 화재의 과도한 열로 인해 파열 온도에 도달하면 파열됩니다. 난연제는 마이크로캡슐에서 방출되어 화재를 제어하는 ​​역할을 합니다.

2. 손상 유발 장치 사용
캘리포니아 대학의 리전트들은 열 폭주 문제를 처리하는 방법을 연구하는 데 꽤 적극적인 것 같습니다.

2006년에는 열폭주 방지에 적합한 고탄성률 고분자 전해질 관련 특허(US8703310)를 출원했다. 다른 발명가들이 손상을 유발하는 재료 또는 장치를 사용하여 열 폭주를 완화하는 방법에 대해 2013년에 이 특허(예: US'535)를 제출했습니다.

보다 정확하게는 배터리 손상이 발생할 때(즉, 열 폭주 시작 전 또는 직후) 기계적 또는 열적(또는 둘 다)으로 트리거될 수 있는 열 폭주 차단 메커니즘을 개발하고 문제가 시작되기 전에 처리할 수 있습니다. .

이러한 예측적이거나 즉각적인 대응책은 배터리가 충격이나 고압(이전 특허 US'886에서도 언급한 사고와 같은)을 받고 내부 구조가 손상되어 내부 단락이 발생하는 경우 특히 필요합니다.

작동하는 기본 원리는 기계적 부하가 배터리에 가해지면 손상 개시자가 전극의 광범위한 손상이나 파괴를 유발할 수 있으므로 내부 저항이 크게 증가하여 열 폭주가 발생하기 전에 이를 완화할 수 있다는 것입니다.

여기에서는 두 가지 유형의 피해 개시자에 대해 이야기했습니다. –

수동적 피해 개시자

이들 개시제는 충격 시 전극에 균열 또는 공극을 일으키고, 그러한 균열 및/또는 공극은 전극의 내부 임피던스를 증가시켜 가능한 내부 단락과 관련된 열 발생을 감소시킵니다. 이러한 첨가제는 균열 또는 공극 개시제(CVI)로 알려져 있습니다.

전극 손상은 CVI-전극 인터페이스의 분리 또는 강성 불일치, CVI의 파손 및 파열 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 수동 첨가제의 예로는 고체 또는 다공성 입자, 고체 또는 중공/다공성 섬유 및 튜브 등이 있습니다. 흑연, 탄소나노튜브, 활성탄, 카본블랙 등과 같은 탄소재료로 형성될 수 있다.

활성 손상 개시자

이러한 개시제는 기계적 또는 열적 부하 시 상당한 부피 또는 모양 변화를 일으킬 수 있습니다. 활성 손상 개시제에는 고체 또는 다공성 입자, 고체 또는 중공 비드, 고체 또는 중공/다공성 섬유 및 튜브 등이 포함될 수 있습니다. 활성 손상 개시제는 Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni와 같은 형상 기억 합금으로 형성될 수 있습니다. -Ti-Pt 등

이때 방출되는 화학물질은 열 폭주 독성이 있을 수 있으며 극단적인 경우 열 폭주로 인해 전기 화재 및/또는 배터리 폭발이 발생할 수 있습니다. 배터리 환경의 주변 공기 온도도 적절하게 유지되어야 합니다. 이러한 요소를 제어하면 다음과 같은 가능성이 줄어듭니다. 열 폭주 .

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