Hvordan stoppe litiumionbatterieksplosjon på grunn av termisk runaway?

Termisk løping er et langvarig problem som har plaget store selskaper som Tesla , Samsung , og Boeing og like små.

Boeings Dreamliner 787, som Boeing annonserte som 20 % drivstoffeffektiv, ble satt på bakken i 2013. Samme år kom Teslas Model S under en føderal sikkerhetsundersøkelse etter at den tok fyr minst 3 ganger.I fjor tilbakekalte Samsung 2,5 millioner Galaxy Note 7-smarttelefoner.

For alle de tre selskapene, som er toppaktører innen deres domene, var problemet det samme – Lithium-Ion-batteriene installert i hjertet av produktet deres som strømkilde.Litiumion-batteriene installert i Tesla Model S, Dreamliner 787 og Galaxy Note 7 eksploderte kontinuerlig.

Hvorfor eksploderer et litiumionbatteri uventet?

Litiumion-batterier er den mest brukte typen batterier i flere bransjer, men vet du hva som gjør dem farlige?Hvis du er en forsker som jobber med Li-ion-batterier, vil du vite at en av hovedårsakene til at de fleste litium-ion-batterier eksploderer er på grunn av termisk løping.

Hva er termisk runaway og hvorfor er det den ledende årsaken til batterieksplosjoner?
I litium-ion-batterier er katode og anode atskilt med en tynn – noen ganger 10 mikron – polyetylen-separator.Når denne separatoren brister, skjer det en kortslutning som starter prosessen som kalles termisk løping.

Termisk løping skjer vanligvis under lading.Temperaturen stiger raskt til smeltepunktet til det metalliske litiumet og forårsaker en voldsom reaksjon.

En annen hovedårsak bak termisk løping er andre mikroskopiske metallpartikler som kommer i kontakt med forskjellige deler av batteriet (dette skjer hele tiden i batterimonteringsprosessen), noe som resulterer i en kortslutning.

Vanligvis kan en mild kortslutning forårsake en forhøyet selvutladning og det genereres lite varme fordi utladningsenergien er svært lav.Men når nok mikroskopiske metallpartikler konvergerer på ett sted, kan det utvikles en stor elektrisk kortslutning og en betydelig strøm vil flyte mellom de positive og negative platene.

Dette får temperaturen til å stige, noe som fører til en termisk løping, også referert til "ventilasjon med flamme."

Under en termisk løping kan den høye varmen fra den sviktende cellen forplante seg til neste celle, og føre til at den også blir termisk ustabil.I noen tilfeller oppstår det en kjedereaksjon der hver celle går i oppløsning etter sin egen tidsplan.

Hvorfor er eksplosjon av Li-Ion-batterier et stort problem for alle?

Smarttelefonen i lommen er drevet av en Li-Ion batteri .De er en av de mest populære typene oppladbare batterier for bærbar elektronikk på grunn av deres høye energitetthet, lille minneeffekt og lave selvutlading.

I tillegg til forbrukerelektronikk er litiumionbatterier populære for militære, elektriske kjøretøy og romfartsapplikasjoner.For eksempel har litiumion-batterier erstattet de konvensjonelle bly-syre-batteriene som har vært brukt historisk for golfbiler og nyttekjøretøyer.

Den globale størrelsen på markedet for litiumionbatterier forventes å nå 46,21 milliarder dollar innen 2022, med en CAGR på 10,8 % i perioden 2016-2022.

For noe som har blitt en integrert del av hverdagen vår i et så høyt tempo, ville vi virkelig risikere livene våre med disse batteriene rundt oss.

Gitt deres applikasjoner, er de ikke lett å bytte ut, men hvis det termiske rømningsproblemet kunne løses, ville balansen gjenopprettet i paradis.

Hvordan kan vi forhindre termisk løping inn Lithium Ion batterier ?

1. Vi introduserer en flammehemmende middel
Termisk løping oppstår ofte fra punkteringer og feil lading.For å motvirke slike brannfarer brukte oppfinnerne en termisk væske som inneholder et flammehemmende middel.

En flammehemmer er en forbindelse som hemmer, undertrykker eller forsinker produksjonen av flammer eller hindrer spredning av brann.

Her har de mikroinnkapslet flammehemmeren (vanligvis en bromforbindelse) i polyetylen med høy tetthet og tilsatt vann og en glykolforbindelse for å forberede den termiske væsken som brukes.Glykolforbindelsen brukes her som "frostvæske" (vanlige glykolforbindelser som brukes er etylenglykol, dietylenglykol og propylenglykol).

Oppfinnelsen diskuteres også mest i lys av EV-batterier.Et batteri blir varmet opp når det blir bedt om å drive et elektrisk kjøretøy.Termisk væske strømmer gjennom beholderen og over modulene til batteriet.

Ved overlading, eller en bilulykke som resulterer i en batteripunksjon, virker flammehemmeren i den termiske væsken for å redusere brannfaren.Mer presist sprekker mikrokapsler med bromforbindelse når bruddtemperaturen nås på grunn av overflødig varme fra brannen.Flammehemmeren frigjøres fra mikrokapslene og virker for å bringe brannen under kontroll.

2. Bruk av skadeinitierende enheter
The Regents of University of California ser ut til å være ganske aktive i å undersøke hvordan de skal håndtere termisk rømningsproblem.

I 2006 la de inn et patent relatert til polymerelektrolytter med høy elastisitetsmodul egnet for å forhindre termisk løping (US8703310).Et annet sett med oppfinnere har sendt inn dette patentet (dvs. US'535) i 2013, om å redusere termisk løping ved å bruke skadeinitierende materialer eller enheter.

Mer presist har de utviklet en termisk runaway-avstengningsmekanisme som kan utløses enten mekanisk eller termisk (eller begge deler), ettersom batteriskader oppstår (dvs. før eller kort tid etter at termisk runaway starter) og tar hånd om problemet før det i det hele tatt kan begynne .

Slike prediktive eller øyeblikkelige mottiltak er spesielt nødvendig når et batteri blir utsatt for støt eller høyt trykk (som en ulykke som jeg også nevnte for forrige patent US'886) og dens indre struktur er skadet, noe som forårsaker intern kortslutning.

Det grunnleggende prinsippet det fungerer på er – ettersom en mekanisk belastning påføres batteriet, kan skadeinitiatorer utløse omfattende skade eller ødeleggelse av elektroden slik at den indre motstanden øker betydelig for å redusere termisk løping selv før det kan skje.

Her har de snakket om to typer skadeinitiatorer –

Passive skadeinitiatorer

Disse initiatorene initierer sprekkdannelse eller tomrom i elektroder ved støt, og slike sprekker og/eller hulrom øker den indre impedansen til elektroden og reduserer således varmeutvikling forbundet med mulig intern kortslutning.Slike tilsetningsstoffer er kjent som sprekker eller hulromsinitiatorer (CVI).

Elektrodeskadene kan være forårsaket av frigjøring eller stivhetsmismatch av CVI-elektrodegrensesnitt, brudd og brudd på CVI, etc. Eksempler på passive tilsetningsstoffer inkluderer faste eller porøse partikler, faste eller hule/porøse fibre, og rør, etc. og de kan dannes av karbonmaterialer som grafitt, karbon-nanorør, aktivert karbon, carbon black, etc.

Aktiv skadeinitiator

Disse initiatorene kan produsere en betydelig volum- eller formendring ved en mekanisk eller termisk belastning.Aktive skadeinitiatorer kan inkludere faste eller porøse partikler, faste eller hule perler, solide eller hule/porøse fibre og rør, etc. Aktive skadeinitiatorer kan dannes av formminnelegeringer som Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt, etc.

Kjemikaliene som frigjøres under termisk løping kan være giftig og i ekstreme tilfeller kan termisk løping føre til at elektriske branner og/eller batterier eksploderer.Den omgivende lufttemperaturen i batterimiljøet må også opprettholdes på riktig måte.Å kontrollere disse faktorene reduserer potensialet for termisk løping .

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