Kā apturēt litija jonu akumulatoru sprādzienu termiskās noplūdes dēļ?

Termiskā bēgšana ir ilgstoša problēma, kas ir satraukusi lielas korporācijas, piemēram Tesla , Samsung , un Boeing un maziem līdzīgi.

Boeing Dreamliner 787, kas Boeing reklamēja kā 20% ekonomisku degvielu, tika apturēts 2013. gadā. Tajā pašā gadā Tesla Model S tika pakļauts federālajai drošības izmeklēšanai, jo tas aizdegās vismaz 3 reizes.Pagājušajā gadā Samsung atsauca 2,5 miljonus Galaxy Note 7 viedtālruņu.

Visiem trim uzņēmumiem, kas ir sava domēna vadošie spēlētāji, problēma bija vienāda — litija jonu akumulatori, kas uzstādīti viņu izstrādājuma sirdī kā barošanas avots.Tesla Model S, Dreamliner 787 un Galaxy Note 7 uzstādītie litija jonu akumulatori nepārtraukti eksplodēja.

Kāpēc litija jonu akumulators negaidīti eksplodē?

Litija jonu baterijas ir visvairāk izmantotais akumulatoru veids vairākās nozarēs, bet vai jūs zināt, kas padara tos par bīstamiem?Ja esat pētnieks, kas strādā ar litija jonu akumulatoriem, jūs zināt, ka viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc lielākā daļa litija jonu akumulatoru eksplodē, ir termiskā aizbēgšana.

Kas ir termiskā bēgšana un kāpēc tas ir galvenais akumulatoru sprādzienu cēlonis?
Litija jonu akumulatoros katodu un anodu atdala plāns – dažkārt 10 mikronu – polietilēna separators.Kad šis separators plīst, notiek īssavienojums, kas ierosina procesu, ko sauc par termisko bēgšanu.

Uzlādes laikā parasti notiek termiska noplūde.Temperatūra ātri paaugstinās līdz metāliskā litija kušanas temperatūrai un izraisa spēcīgu reakciju.

Vēl viens būtisks termiskās izplūdes iemesls ir citas mikroskopiskas metāla daļiņas, kas saskaras ar dažādām akumulatora daļām (tas notiek visu laiku akumulatora montāžas procesā), kā rezultātā rodas īssavienojums.

Parasti viegls īssavienojums var izraisīt paaugstinātu pašizlādi un rodas maz siltuma, jo izlādes enerģija ir ļoti zema.Bet, kad pietiekami daudz mikroskopisku metāla daļiņu saplūst vienā vietā, var rasties liels elektriskais īssavienojums un starp pozitīvo un negatīvo plāksnēm plūst ievērojama strāva.

Tas izraisa temperatūras paaugstināšanos, izraisot termisku aizbēgšanu, ko dēvē arī par "izplūdi ar liesmu".

Termiskās bēgšanas laikā bojātās šūnas lielais siltums var izplatīties uz nākamo šūnu, izraisot to arī termiski nestabilu.Dažos gadījumos notiek ķēdes reakcija, kurā katra šūna sadalās pēc sava grafika.

Kāpēc litija jonu akumulatoru eksplozija ir liela problēma visiem?

Viedtālrunis jūsu kabatā tiek darbināts ar a Li-Ion akumulators .Tie ir viens no populārākajiem pārnēsājamo elektronikas uzlādējamo akumulatoru veidiem, jo ​​tiem ir augsts enerģijas blīvums, neliels atmiņas efekts un zema pašizlāde.

Papildus plaša patēriņa elektronikai litija jonu akumulatori ir populāri militāriem, elektriskiem transportlīdzekļiem un kosmosa lietojumiem.Piemēram, litija jonu akumulatori ir aizstājuši parastos svina-skābes akumulatorus, kas vēsturiski tika izmantoti golfa ratiņos un komunālajos transportlīdzekļos.

Paredzams, ka globālais litija jonu akumulatoru tirgus apjoms līdz 2022. gadam sasniegs 46,21 miljardu ASV dolāru, un laika posmā no 2016. līdz 2022. gadam CAGR būs 10,8%.

Par kaut ko, kas tik strauji ir kļuvis par mūsu ikdienas dzīves neatņemamu sastāvdaļu, mēs patiešām riskētu ar savu dzīvību, ja mums būtu šīs baterijas.

Ņemot vērā to pielietojumu, tie nav viegli nomaināmi, bet, ja varētu atrisināt termiskās problēmas, līdzsvars atjaunotos paradīzē.

Kā mēs varam novērst termisku aizbēgšanu Litija jonu akumulatori ?

1. Iepazīstinām ar liesmu slāpētāju
Termiskā bēgšana bieži rodas caurduršanas un nepareizas uzlādes dēļ.Lai novērstu šādus ugunsbīstamību, izgudrotāji izmantoja termisko šķidrumu, kas satur liesmas slāpētāju.

Liesmas slāpētājs ir savienojums, kas kavē, nomāc vai aizkavē liesmu veidošanos vai novērš uguns izplatīšanos.

Šeit viņi mikrokapsulēja liesmas slāpētāju (parasti broma savienojumu) augsta blīvuma polietilēnā un pievieno ūdeni un glikola savienojumu, lai sagatavotu izmantoto termisko šķidrumu.Glikola savienojumu šeit izmanto kā “antifrīzu” (parasti izmantotie glikola savienojumi ir etilēnglikols, dietilēnglikols un propilēnglikols).

Arī izgudrojums galvenokārt tiek apspriests, ņemot vērā EV akumulatorus.Akumulators uzsilst, kad tas tiek aicināts darbināt elektrisko transportlīdzekli.Termiskais šķidrums plūst cauri tvertnei un pāri akumulatora moduļiem.

Pārlādes gadījumā vai autoavārijā, kuras rezultātā tiek caurdurts akumulators, siltuma šķidrumā esošais liesmas slāpētājs samazina ugunsbīstamību.Precīzāk, broma savienojuma mikrokapsulas plīst, kad tiek sasniegta plīsuma temperatūra pārmērīga uguns siltuma dēļ.Liesmas slāpētājs tiek atbrīvots no mikrokapsulām un darbojas, lai kontrolētu uguni.

2. Bojājumu izraisošo ierīču izmantošana
Šķiet, ka Kalifornijas Universitātes reģenti diezgan aktīvi pēta, kā risināt termiskās bēgšanas problēmu.

2006. gadā viņi iesniedza patentu saistībā ar augsta elastības moduļa polimēru elektrolītiem, kas piemēroti termiskās bēgšanas novēršanai (US8703310).Cita izgudrotāju grupa 2013. gadā ir iesniegusi šo patentu (ti, US'535) par termiskās bēgšanas mazināšanu, izmantojot bojājumus izraisošus materiālus vai ierīces.

Precīzāk, viņi ir izstrādājuši termisku izslēgšanas mehānismu, kas var tikt iedarbināts vai nu mehāniski, vai termiski (vai abos gadījumos), kad notiek akumulatora bojājumi (ti, pirms vai neilgi pēc termiskās palaišanas sākuma), un novērš problēmu, pirms tā var sākties. .

Šādi paredzami vai tūlītēji pretpasākumi ir īpaši nepieciešami, ja akumulators ir pakļauts triecienam vai augstam spiedienam (piemēram, nelaimes gadījumā, kā es minēju arī iepriekšējam patentam US'886) un tā iekšējā struktūra ir bojāta, izraisot iekšēju īssavienojumu.

Pamatprincips, pēc kura tas darbojas, ir – tā kā akumulatoram tiek pielietota mehāniska slodze, bojājumu ierosinātāji var izraisīt plašu elektroda bojājumu vai iznīcināšanu, tādējādi iekšējā pretestība ievērojami palielinās, lai mazinātu termisko noplūdi pat pirms tā var notikt.

Šeit viņi ir runājuši par divu veidu bojājumu ierosinātājiem –

Pasīvo bojājumu ierosinātāji

Šie iniciatori pēc trieciena izraisa elektrodu plaisāšanu vai iztukšošanos, un šādas plaisas un/vai tukšumi palielina elektroda iekšējo pretestību un tādējādi samazina siltuma veidošanos, kas saistīta ar iespējamu iekšējo īssavienojumu.Šādas piedevas ir pazīstamas kā plaisu vai tukšumu ierosinātāji (CVI).

Elektrodu bojājumus var izraisīt CVI-elektrodu saskarņu atdalīšanās vai stinguma neatbilstība, CVI lūzums un plīsums utt. Pasīvo piedevu piemēri ir cietas vai porainas daļiņas, cietas vai dobas/porainas šķiedras un caurules utt. var veidot no tādiem oglekļa materiāliem kā grafīts, oglekļa nanocaurules, aktīvās ogles, ogles utt.

Aktīvs bojājumu ierosinātājs

Šie iniciatori mehāniskās vai termiskās slodzes rezultātā var radīt ievērojamas tilpuma vai formas izmaiņas.Aktīvie bojājumu ierosinātāji var ietvert cietas vai porainas daļiņas, cietas vai dobas lodītes, cietas vai dobas/porainas šķiedras un caurules utt. Aktīvos bojājumu ierosinātājus var veidot no formas atmiņu sakausējumiem, piemēram, Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt utt.

Ķīmiskās vielas, kas izdalās laikā termiskais bēglis var būt toksisks, un ārkārtējos gadījumos termiskā aizdegšanās var izraisīt elektrisko aizdegšanos un/vai bateriju eksploziju.Tāpat pareizi jāuztur apkārtējā gaisa temperatūra akumulatora vidē.Šo faktoru kontrole samazina iespēju termiskais bēglis .

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