Како да се запре експлозијата на литиум-јонските батерии поради термички бегство?

Термичкото бегство е долгогодишен проблем што ги мачи големите корпорации како Тесла , Samsung , и Боинг и мали подеднакво.

Dreamliner 787 на Boeing, кој Боинг го рекламираше како 20% економичен гориво, беше приземјен во 2013 година. Истата година, Tesla Model S беше под федерална безбедносна истрага откако се запали најмалку 3 пати.Минатата година Samsung повлече 2,5 милиони паметни телефони Galaxy Note 7.

За сите три компании, кои се врвни играчи во нивниот домен, проблемот беше ист – литиум-јонските батерии инсталирани во срцето на нивниот производ како извор на енергија.Литиум-јонските батерии инсталирани во Tesla Model S, Dreamliner 787 и Galaxy Note 7 постојано експлодираа.

Зошто литиум јонската батерија експлодира неочекувано?

Литиум јонските батерии се најкористениот тип на батерии во неколку индустрии, но дали знаете што ги прави опасни?Ако сте истражувач кој работи со литиум-јонски батерии, би знаеле дека една од главните причини зошто повеќето литиум-јонски батерии експлодираат е поради термичкото бегство.

Што е Thermal Runaway и зошто тоа е водечката причина за експлозии на батерии?
Во литиум-јонските батерии, катодата и анодата се одделени со тенок - понекогаш 10 микрони - полиетиленски сепаратор.Кога овој сепаратор ќе пукне, се случува краток спој кој го иницира процесот наречен термички бегство.

Термичкото бегство обично се случува за време на полнењето.Температурата брзо се зголемува до точката на топење на металниот литиум и предизвикува бурна реакција.

Друга главна причина зад термичкото бегство е други микроскопски метални честички кои доаѓаат во допир со различни делови од батеријата (ова се случува постојано во процесот на склопување на батеријата), што резултира со краток спој.

Вообичаено, благ краток спој може да предизвика зголемено само-празнење и да се генерира малку топлина бидејќи енергијата на празнење е многу мала.Но, кога доволно микроскопски метални честички ќе се спојат на едно место, може да се развие голем електричен краток спој и значителна струја ќе тече помеѓу позитивните и негативните плочи.

Ова предизвикува зголемување на температурата, што доведува до термички бегство, исто така наречено „проветрување со пламен“.

За време на термички бегство, високата топлина на ќелијата што не успева може да се пропагира до следната ќелија, предизвикувајќи и таа да стане термички нестабилна.Во некои случаи, се јавува верижна реакција во која секоја клетка се распаѓа по сопствен распоред.

Зошто експлозијата на литиум-јонски батерии е главен проблем за сите?

Паметниот телефон во вашиот џеб се напојува со a Li-Ion батерија .Тие се еден од најпопуларните типови на батерии за полнење за пренослива електроника поради нивната висока густина на енергија, малиот ефект на меморија и малото самопразнење.

Покрај потрошувачката електроника, литиум-јонските батерии се популарни за воени, електрични возила и воздушни апликации.На пример, литиум-јонските батерии ги заменија конвенционалните оловно-киселински батерии кои историски се користеа за колички за голф и за комунални возила.

Големината на глобалниот пазар на литиум-јонски батерии се очекува да достигне 46,21 милијарди долари до 2022 година, со CAGR од 10,8% во периодот 2016-2022 година.

За нешто што стана составен дел од нашето секојдневие со толку брзо темпо, навистина би ги ризикувале нашите животи имајќи ги овие батерии околу нас.

Со оглед на нивната примена, тие не се лесно заменливи, но доколку се реши проблемот со термалното бегство, рамнотежата би се вратила во рајот.

Како можеме да спречиме термички бегство во Литиум-јонски батерии ?

1. Воведување на средство за заштита од пламен
Термичко бегство често се јавува од пробивање и неправилно полнење.За да се спротивстават на таквите опасности од пожар, пронаоѓачите користеле термичка течност која содржи отпорник на пламен.

Ретардант на пламен е соединение кое го инхибира, потиснува или го одложува производството на пламен или го спречува ширењето на пожарот.

Овде тие имаат микрокапсулирано заштитник на пламен (обично соединение на бром) во полиетилен со висока густина и додаваат вода и соединение гликол за да се подготви термичката течност што се користи.Соединението на гликол овде се користи како „антифриз“ (вообичаени гликолни соединенија што се користат се етилен гликол, диетилен гликол и пропилен гликол).

Исто така, пронајдокот најмногу се дискутира во светлината на EV батериите.Батеријата кога ќе се повика да напојува електрично возило се загрева.Термичката течност тече низ контејнерот и над модулите на батеријата.

Во случај на преполнување или сообраќајна несреќа што резултира со пункција на батеријата, заштитувачот на пламен во топлинската течност дејствува за да ја намали опасноста од пожар.Поточно, микрокапсулите на соединението на бром пукаат кога ќе се достигне температурата на руптурата поради вишокот на топлина на огнот.Заштитувачот на пламен се ослободува од микрокапсулите и делува да го стави огнот под контрола.

2. Користење на уреди за иницирање на оштетување
Регентите на Универзитетот во Калифорнија се чини дека се прилично активни во истражувањето како да се справат со проблемот со термички бегство.

Во 2006 година, тие поднесоа патент поврзан со полимерни електролити со висок модул на еластичност, погодни за спречување на термичко бегство (US8703310).Различен сет на пронаоѓачи го поднеле овој патент (т.е. US'535) во 2013 година, за ублажување на термички бегство користејќи материјали или уреди што предизвикуваат оштетување.

Попрецизно, тие развија механизам за исклучување со термички бегство што може да се активира или механички или термички (или и двете), бидејќи се случува оштетување на батеријата (т.е. пред или кратко време по започнувањето на термалното бегство) и се грижат за проблемот уште пред да може да започне .

Ваквите предвидливи или моментални контрамерки се особено потребни кога батеријата е изложена на удар или висок притисок (како несреќа како што споменав и за претходниот патент US'886) и кога нејзината внатрешна структура е оштетена, предизвикувајќи внатрешно кратење.

Основниот принцип на кој работи е - како што се нанесува механичко оптоварување на батеријата, иницијаторите на оштетување може да предизвикаат широко распространето оштетување или уништување на електродата, така што внатрешниот отпор значително се зголемува за да се ублажи термичкото бегство дури и пред да се случи.

Овде тие зборуваа за два вида иницијатори на штета -

Иницијатори на пасивни оштетувања

Овие иницијатори иницираат пукање или празнење на електродите при удар, а таквите пукнатини и/или празнини ја зголемуваат внатрешната импеданса на електродата и, на тој начин, го намалуваат создавањето на топлина поврзано со можното внатрешно скратување.Таквите адитиви се познати како иницијатори на пукнатини или празнини (CVIs).

Оштетувањата на електродата може да бидат предизвикани од одврзување или неусогласеност со вкочанетост на интерфејсите на CVI-електродата, фрактура и руптура на CVI, итн. Примери на пасивни адитиви вклучуваат цврсти или порозни честички, цврсти или шупливи/порозни влакна и цевки, итн. може да се формира од јаглеродни материјали како што се графит, јаглеродни наноцевки, активирани јаглероди, саѓи, итн.

Активен иницијатор на оштетување

Овие иницијатори можат да произведат значителна промена на волуменот или обликот при механичко или термичко оптоварување.Активните иницијатори на оштетување може да вклучуваат цврсти или порозни честички, цврсти или шупливи зрна, цврсти или шупливи/порозни влакна и цевки, итн. — Ti—Pt, итн.

Хемикалиите кои се ослободуваат за време на термички бегство може да биде токсичен, а во екстремни случаи, термичкото бегство може да предизвика електрични пожари и/или батерии да експлодираат.Температурата на амбиенталниот воздух во околината на батеријата исто така мора правилно да се одржува.Контролирањето на овие фактори го намалува потенцијалот за термички бегство .

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