Kaip sustabdyti ličio jonų baterijų sprogimą dėl terminio pabėgimo?

Terminis pabėgimas yra ilgalaikė problema, kuri trukdė didelėms korporacijoms Tesla , Samsung , ir Boeing ir maži.

„Boeing“ „Dreamliner 787“, kurį „Boeing“ reklamavo kaip 20 % taupantį kurą, buvo sustabdytas 2013 m. Tais pačiais metais buvo atliktas federalinis „Tesla“ modelio S saugumo tyrimas, nes jis užsiliepsnojo mažiausiai 3 kartus.Praėjusiais metais „Samsung“ atšaukė 2,5 mln. „Galaxy Note 7“ išmaniųjų telefonų.

Visoms trims įmonėms, kurios yra geriausi savo srities žaidėjai, problema buvo ta pati – ličio jonų baterijos buvo įmontuotos į jų gaminį kaip maitinimo šaltinis.Tesla Model S, Dreamliner 787 ir Galaxy Note 7 įdėtos ličio jonų baterijos nuolat sprogdavo.

Kodėl ličio jonų baterija netikėtai sprogsta?

Ličio jonų baterijos yra dažniausiai naudojamos baterijos keliose pramonės šakose, bet ar žinote, kas daro juos pavojingus?Jei esate tyrėjas, dirbantis su ličio jonų baterijomis, žinotumėte, kad viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl dauguma ličio jonų baterijų sprogsta, yra dėl šiluminio bėgimo.

Kas yra terminis pabėgimas ir kodėl tai yra pagrindinė akumuliatoriaus sprogimo priežastis?
Ličio jonų baterijose katodas ir anodas atskiriami plonu – kartais 10 mikronų – polietileno separatoriumi.Kai šis separatorius plyšta, įvyksta trumpasis jungimas, kuris inicijuoja procesą, vadinamą terminiu bėgimu.

Įkrovimo metu paprastai įvyksta terminis pabėgimas.Temperatūra greitai pakyla iki metalinio ličio lydymosi taško ir sukelia audringą reakciją.

Kita pagrindinė terminio pabėgimo priežastis yra kitos mikroskopinės metalo dalelės, besiliečiančios su įvairiomis akumuliatoriaus dalimis (tai vyksta visą laiką montuojant akumuliatorių), todėl įvyksta trumpasis jungimas.

Paprastai lengvas trumpasis jungimas gali sukelti padidėjusį savaiminį išsikrovimą ir susidaro mažai šilumos, nes iškrovimo energija yra labai maža.Tačiau kai vienoje vietoje susilieja pakankamai mikroskopinių metalo dalelių, gali išsivystyti didelis elektros trumpas ir tarp teigiamų ir neigiamų plokščių tekės didelė srovė.

Dėl to temperatūra pakyla, o tai sukelia terminį nutekėjimą, dar vadinamą „išleidimu liepsna“.

Šiluminio pabėgimo metu didelė sugedusios ląstelės šiluma gali plisti į kitą ląstelę, todėl ji taip pat tampa termiškai nestabili.Kai kuriais atvejais įvyksta grandininė reakcija, kurios metu kiekviena ląstelė suyra pagal savo laiką.

Kodėl ličio jonų baterijų sprogimas yra pagrindinė problema visiems?

Kišenėje esantį išmanųjį telefoną maitina a Li-Ion baterija .Dėl didelio energijos tankio, mažo atminties efekto ir mažo savaiminio išsikrovimo jie yra vienas iš populiariausių įkraunamų baterijų tipų, skirtų nešiojamai elektronikai.

Be plataus vartojimo elektronikos, ličio jonų baterijos yra populiarios karinėse, elektrinėse transporto priemonėse ir erdvėlaiviuose.Pavyzdžiui, ličio jonų baterijos pakeitė įprastas švino-rūgšties baterijas, kurios istoriškai buvo naudojamos golfo vežimėliams ir komunalinėms transporto priemonėms.

Numatoma, kad pasaulinė ličio jonų baterijų rinkos dydis iki 2022 m. sieks 46,21 mlrd. USD, o CAGR 2016–2022 m. laikotarpiu sieks 10,8%.

Dėl to, kas tokiu greitu tempu tapo neatsiejama mūsų kasdienio gyvenimo dalimi, iš tiesų rizikuotume savo gyvybe, turėdami šias baterijas šalia.

Atsižvelgiant į jų pritaikymą, jie nėra lengvai pakeičiami, tačiau jei pavyktų išspręsti šiluminio pabėgimo problemą, pusiausvyra atkurtų rojuje.

Kaip galime užkirsti kelią terminiam pabėgimui Ličio jonų baterijos ?

1. Pristatome antipireną
Terminis pabėgimas dažnai atsiranda dėl pradūrimų ir netinkamo įkrovimo.Norėdami kovoti su tokiais gaisro pavojais, išradėjai naudojo terminį skystį, kuriame yra antipireno.

Antipirenas – tai junginys, kuris slopina, slopina ar atitolina liepsnos susidarymą arba neleidžia plisti ugniai.

Čia jie mikrokapsuliuoja antipireną (dažniausiai bromo junginį) į didelio tankio polietileną ir prideda vandens bei glikolio junginio, kad paruoštų naudojamą terminį skystį.Glikolio junginys čia naudojamas kaip „antifrizas“ (dažniausiai naudojami glikolio junginiai yra etilenglikolis, dietilenglikolis ir propilenglikolis).

Be to, išradimas dažniausiai aptariamas atsižvelgiant į EV baterijas.Akumuliatorius, kai jis raginamas maitinti elektromobilį, įkaista.Šiluminis skystis teka per talpyklą ir per akumuliatoriaus modulius.

Perkaitimo arba automobilio avarijos, dėl kurios pramuštas akumuliatorius, atveju šiluminiame skystyje esantis antipirenas sumažina gaisro pavojų.Tiksliau, bromo junginių mikrokapsulės plyšta pasiekus plyšimo temperatūrą dėl perteklinės ugnies šilumos.Antipirenas išsiskiria iš mikrokapsulių ir padeda suvaldyti ugnį.

2. Pažeidimą sukeliančių įrenginių naudojimas
Atrodo, kad Kalifornijos universiteto regentai gana aktyviai tiria, kaip spręsti šiluminio pabėgimo problemą.

2006 m. jie pateikė patentą, susijusį su didelio tamprumo modulio polimerų elektrolitais, tinkančiais apsaugoti nuo šiluminio bėgimo (US8703310).Kitos išradėjų grupės 2013 m. pateikė šį patentą (pvz., US'535) dėl terminio bėgimo mažinimo naudojant žalą sukeliančias medžiagas ar įrenginius.

Tiksliau, jie sukūrė šiluminio pabėgimo išjungimo mechanizmą, kuris gali būti įjungtas mechaniškai arba termiškai (arba abu), kai įvyksta baterijos pažeidimas (ty prieš arba netrukus po terminio pabėgimo pradžios), ir pasirūpina problema prieš jai prasidėjus. .

Tokios nuspėjamosios arba momentinės atsakomosios priemonės yra ypač reikalingos, kai akumuliatorių veikia smūgis arba aukštas slėgis (kaip ir nelaimingas atsitikimas, kaip minėjau ir ankstesniame patente US'886) ir pažeista jo vidinė struktūra, sukelianti vidinį trumpąjį jungimą.

Pagrindinis jo veikimo principas yra tas, kad akumuliatoriui veikiant mechaninė apkrova, pažeidimo iniciatoriai gali sukelti plačiai paplitusią elektrodo pažeidimą arba sunaikinimą, todėl vidinė varža žymiai padidėja, kad sumažintų šiluminį nutekėjimą dar prieš tai įvykstant.

Čia jie kalbėjo apie dviejų tipų žalos iniciatorius –

Pasyvūs žalos iniciatoriai

Šie iniciatoriai sukelia elektrodų įtrūkimus arba tuštumą smūgio metu, o tokie įtrūkimai ir (arba) tuštumos padidina vidinę elektrodo varžą ir taip sumažina šilumos susidarymą, susijusį su galimu vidiniu trumpumu.Tokie priedai yra žinomi kaip įtrūkimų arba tuštumų iniciatoriai (CVI).

Elektrodų pažeidimus gali sukelti CVI-elektrodų sąsajų atsiskyrimas arba standumo neatitikimas, lūžimas, CVI plyšimas ir kt. Pasyviųjų priedų pavyzdžiai yra kietos arba porėtos dalelės, kieti arba tuščiaviduriai/akytas pluoštas, vamzdeliai ir kt. gali būti suformuotas iš anglies medžiagų, tokių kaip grafitas, anglies nanovamzdeliai, aktyvuota anglis, suodžiai ir kt.

Aktyvus žalos iniciatorius

Dėl mechaninės arba šiluminės apkrovos šie iniciatoriai gali sukelti reikšmingą tūrio ar formos pasikeitimą.Aktyvūs pažeidimo iniciatoriai gali būti kietos arba poringos dalelės, kietos arba tuščiavidurės granulės, kieti arba tuščiaviduriai / porėti pluoštai ir vamzdeliai ir tt Aktyvūs pažeidimo iniciatoriai gali būti suformuoti iš formos atminties lydinių, tokių kaip Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni -Ti-Pt ir kt.

Cheminės medžiagos, kurios išsiskiria per terminis pabėgimas gali būti toksiškas, o kraštutiniais atvejais dėl terminio nutekėjimo gali kilti elektros gaisras ir (arba) sprogti baterijos.Taip pat turi būti tinkamai palaikoma aplinkos oro temperatūra akumuliatoriaus aplinkoje.Kontroliuojant šiuos veiksnius sumažėja galimybė terminis pabėgimas .

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