Jak zatrzymać eksplozję akumulatorów litowo-jonowych w wyniku ucieczki ciepła?

Ucieczka termiczna to długotrwały problem, który dręczy duże korporacje, takie jak Tesli , SAMSUNG , I Boeinga i małe.

Boeing Dreamliner 787, który Boeing reklamował jako zużywający 20% paliwa, został uziemiony w 2013 roku. W tym samym roku Model S Tesli został objęty federalnym dochodzeniem w sprawie bezpieczeństwa po tym, jak co najmniej 3 razy się zapalił. W ubiegłym roku Samsung wycofał ze sprzedaży 2,5 miliona smartfonów Galaxy Note 7.

Dla wszystkich trzech firm, które są czołowymi graczami w swojej domenie, problem był ten sam – akumulatory litowo-jonowe zainstalowane w sercu ich produktu jako źródło zasilania. Baterie litowo-jonowe zainstalowane w Tesli Model S, Dreamliner 787 i Galaxy Note 7 nieustannie eksplodowały.

Dlaczego bateria litowo-jonowa eksploduje nieoczekiwanie?

Baterie litowo-jonowe są najczęściej używanym typem baterii w wielu gałęziach przemysłu, ale czy wiesz, co czyni je niebezpiecznymi? Jeśli jesteś naukowcem pracującym nad akumulatorami litowo-jonowymi, wiesz, że jednym z głównych powodów eksplozji większości akumulatorów litowo-jonowych jest niekontrolowana niekontrolowana temperatura.

Co to jest niekontrolowana reakcja termiczna i dlaczego jest główną przyczyną eksplozji akumulatorów?
W akumulatorach litowo-jonowych katoda i anoda są oddzielone cienkim – czasami 10 mikrometrowym – separatorem polietylenowym. Kiedy ten separator pęka, następuje zwarcie, które inicjuje proces zwany niekontrolowaną temperaturą.

Ucieczka termiczna ma miejsce zwykle podczas ładowania. Temperatura szybko wzrasta do temperatury topnienia metalicznego litu i powoduje gwałtowną reakcję.

Inną ważną przyczyną niekontrolowanej temperatury jest kontakt mikroskopijnych cząstek metalu z różnymi częściami akumulatora (zdarza się to cały czas w procesie montażu akumulatora), co powoduje zwarcie.

Zwykle łagodne zwarcie może powodować zwiększone samorozładowanie i generowanie niewielkiej ilości ciepła, ponieważ energia rozładowania jest bardzo niska. Kiedy jednak w jednym miejscu zbiegnie się wystarczająca liczba mikroskopijnych cząstek metalu, może dojść do poważnego zwarcia elektrycznego i pomiędzy płytami dodatnimi i ujemnymi popłynie prąd o znacznej wartości.

Powoduje to wzrost temperatury, co prowadzi do ucieczki ciepła, zwanej także „odpowietrzaniem płomieniem”.

Podczas ucieczki termicznej wysokie ciepło uszkodzonego ogniwa może przedostać się do następnego ogniwa, powodując, że ono również staje się niestabilne termicznie. W niektórych przypadkach zachodzi reakcja łańcuchowa, w której każda komórka rozpada się według własnego harmonogramu.

Dlaczego eksplozja akumulatorów litowo-jonowych jest poważnym problemem dla wszystkich?

Smartfon w Twojej kieszeni zasilany jest przez Bateria litowo-jonowa . Są jednym z najpopularniejszych typów akumulatorów do przenośnych urządzeń elektronicznych ze względu na ich dużą gęstość energii, niewielki efekt pamięci i niski poziom samorozładowania.

Poza elektroniką użytkową, akumulatory litowo-jonowe są popularne w zastosowaniach wojskowych, pojazdach elektrycznych i lotnictwie. Na przykład akumulatory litowo-jonowe zastąpiły konwencjonalne akumulatory kwasowo-ołowiowe, które były wcześniej używane w wózkach golfowych i pojazdach użytkowych.

Oczekuje się, że wielkość światowego rynku akumulatorów litowo-jonowych osiągnie 46,21 miliardów dolarów do 2022 r., przy CAGR na poziomie 10,8% w latach 2016–2022.

Dla czegoś, co w tak szybkim tempie stało się integralną częścią naszego codziennego życia, rzeczywiście ryzykowalibyśmy życie, mając wokół siebie te baterie.

Biorąc pod uwagę ich zastosowania, nie można ich łatwo wymienić, ale gdyby udało się rozwiązać problem niekontrolowanej temperatury, równowaga zostałaby przywrócona w raju.

Jak możemy zapobiec ucieczce ciepła w Baterie litowo-jonowe ?

1. Przedstawiamy środek zmniejszający palność
Ucieczka termiczna często występuje w wyniku przebić i niewłaściwego ładowania. Aby zapobiec takiemu zagrożeniu pożarowemu, wynalazcy zastosowali płyn termiczny zawierający środek zmniejszający palność.

Środek zmniejszający palność to związek, który hamuje, tłumi lub opóźnia wytwarzanie płomieni lub zapobiega rozprzestrzenianiu się ognia.

W tym przypadku środek zmniejszający palność (zwykle związek bromu) umieszczono w mikrokapsułkach w polietylenie o dużej gęstości oraz dodano wodę i związek glikolowy w celu przygotowania stosowanego płynu termicznego. Związek glikolowy stosuje się tutaj jako „środek przeciw zamarzaniu” (powszechnie stosowanymi związkami glikolowymi są glikol etylenowy, glikol dietylenowy i glikol propylenowy).

Ponadto wynalazek jest omawiany głównie w świetle akumulatorów EV. Akumulator, który ma zasilać pojazd elektryczny, nagrzewa się. Ciecz termiczna przepływa przez zbiornik i moduły akumulatora.

W przypadku przeładowania lub wypadku samochodowego skutkującego przebiciem akumulatora, środek zmniejszający palność zawarty w płynie termicznym zmniejsza ryzyko pożaru. Dokładniej, mikrokapsułki związku bromu pękają po osiągnięciu temperatury rozerwania z powodu nadmiernego ciepła ognia. Z mikrokapsułek uwalnia się środek zmniejszający palność, który kontroluje ogień.

2. Używanie urządzeń inicjujących uszkodzenie
Wydaje się, że regenci Uniwersytetu Kalifornijskiego są dość aktywni w badaniu sposobów radzenia sobie z problemem niekontrolowanej temperatury.

W 2006 roku złożyli patent dotyczący elektrolitów polimerowych o wysokim module sprężystości, odpowiednich do zapobiegania niekontrolowanej utracie ciepła (US8703310). Inna grupa wynalazców zgłosiła ten patent (tj. US'535) w 2013 r., dotyczący łagodzenia niekontrolowanej ucieczki termicznej za pomocą materiałów lub urządzeń inicjujących uszkodzenia.

Mówiąc dokładniej, opracowali mechanizm wyłączania spowodowanego niekontrolowaną temperaturą, który można uruchomić mechanicznie lub termicznie (lub jednym i drugim), gdy nastąpi uszkodzenie akumulatora (tj. przed lub wkrótce po rozpoczęciu niekontrolowanej temperatury) i zająć się problemem, zanim w ogóle się zacznie .

Takie przewidywalne lub natychmiastowe środki zaradcze są szczególnie potrzebne, gdy akumulator jest poddawany uderzeniom lub wysokiemu ciśnieniu (jak wypadek, o czym wspomniałem również w poprzednim patencie US'886), a jego wewnętrzna struktura ulega uszkodzeniu, powodując wewnętrzne zwarcie.

Podstawowa zasada działania jest następująca: gdy do akumulatora zostanie przyłożone obciążenie mechaniczne, inicjatory uszkodzenia mogą spowodować rozległe uszkodzenie lub zniszczenie elektrody, w związku z czym opór wewnętrzny znacznie wzrasta, aby złagodzić niekontrolowaną niekontrolowaną temperaturę, nawet zanim to nastąpi.

Tutaj rozmawiali o dwóch typach inicjatorów uszkodzeń –

Pasywne inicjatory obrażeń

Inicjatory te inicjują pękanie lub powstawanie pustych przestrzeni w elektrodach pod wpływem uderzenia, a takie pęknięcia i/lub puste przestrzenie zwiększają wewnętrzną impedancję elektrody, a tym samym zmniejszają wytwarzanie ciepła związane z możliwym wewnętrznym zwarciem. Takie dodatki są znane jako inicjatory pęknięć lub pustych przestrzeni (CVI).

Uszkodzenia elektrody mogą być spowodowane odklejeniem lub niedopasowaniem sztywności powierzchni styku CVI-elektroda, pęknięciem i zerwaniem CVI itp. Przykładami dodatków pasywnych są stałe lub porowate cząstki, stałe lub puste w środku/porowate włókna i rurki itp. można formować z materiałów węglowych, takich jak grafit, nanorurki węglowe, węgle aktywne, sadza itp.

Aktywny inicjator obrażeń

Inicjatory te mogą powodować znaczną zmianę objętości lub kształtu pod wpływem obciążenia mechanicznego lub termicznego. Aktywne inicjatory uszkodzeń mogą obejmować cząstki stałe lub porowate, kulki stałe lub puste w środku, włókna i rurki stałe lub puste w środku/porowate itp. Aktywne inicjatory uszkodzeń mogą być utworzone ze stopów z pamięcią kształtu, takich jak Ni–Ti, Ni–Ti–Pd, Ni —Ti–Pt itd.

Substancje chemiczne uwalniane podczas ucieczka termiczna może być toksyczny, a w skrajnych przypadkach niestabilność termiczna może spowodować pożar instalacji elektrycznej i/lub eksplozję akumulatorów. Należy również odpowiednio utrzymywać temperaturę powietrza otoczenia w otoczeniu akumulatora. Kontrolowanie tych czynników zmniejsza potencjał ucieczka termiczna .

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