Как остановить взрыв литий-ионных аккумуляторов из-за теплового выхода из строя?

Термический разгон — давняя проблема, которая беспокоит такие крупные корпорации, как Тесла , Samsung , и Боинг и маленькие одинаково.

Производство Boeing Dreamliner 787, который Boeing рекламировал как экономичный на 20%, было приостановлено в 2013 году. В том же году Tesla Model S попала под федеральное расследование безопасности после того, как она загорелась как минимум 3 раза. В прошлом году Samsung отозвала 2,5 миллиона смартфонов Galaxy Note 7.

Для всех трех компаний, являющихся ведущими игроками в своей области, проблема была одна и та же – литий-ионные батареи, установленные в сердце их продукта в качестве источника питания. Литий-ионные аккумуляторы, установленные в Tesla Model S, Dreamliner 787 и Galaxy Note 7, постоянно взрывались.

Почему литий-ионный аккумулятор неожиданно взрывается?

Литий-ионные батареи являются наиболее часто используемым типом батарей в нескольких отраслях, но знаете ли вы, что делает их опасными? Если вы исследователь, работающий с литий-ионными батареями, вы должны знать, что одной из основных причин взрыва большинства литий-ионных батарей является термический разгон.

Что такое тепловой разгон и почему он является основной причиной взрывов аккумуляторов?
В литий-ионных батареях катод и анод разделены тонким, иногда 10 микрон, полиэтиленовым сепаратором. Когда этот сепаратор разрывается, происходит короткое замыкание, которое инициирует процесс, называемый тепловым разгоном.

Термический разгон происходит обычно во время зарядки. Температура быстро поднимается до точки плавления металлического лития и вызывает бурную реакцию.

Еще одной важной причиной термического разгона являются другие микроскопические металлические частицы, соприкасающиеся с различными частями батареи (это происходит постоянно в процессе сборки батареи), что приводит к короткому замыканию.

Обычно легкое короткое замыкание может вызвать повышенный саморазряд, при этом выделяется мало тепла, поскольку энергия разряда очень мала. Но когда достаточное количество микроскопических металлических частиц соберется в одном месте, может возникнуть серьезное короткое замыкание, и между положительными и отрицательными пластинами потечет значительный ток.

Это приводит к повышению температуры, что приводит к выходу из-под контроля температуры, также называемому «выбросом пламени».

Во время температурного выхода из-под контроля высокая температура неисправного элемента может распространиться на следующий элемент, в результате чего он также станет термически нестабильным. В некоторых случаях происходит цепная реакция, при которой каждая клетка распадается по своему графику.

Почему взрыв литий-ионных аккумуляторов является серьезной проблемой для всех?

Смартфон в вашем кармане питается от Литий-ионный аккумулятор . Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторов для портативной электроники из-за их высокой плотности энергии, небольшого эффекта памяти и низкого саморазряда.

Помимо бытовой электроники, литий-ионные аккумуляторы популярны в военной технике, электромобилях и аэрокосмической отрасли. Например, литий-ионные аккумуляторы заменили традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы, которые исторически использовались в гольф-карах и транспортных средствах общего назначения.

Ожидается, что к 2022 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов достигнет 46,21 миллиарда долларов США, а среднегодовой темп роста составит 10,8% в период 2016-2022 годов.

Для чего-то, что стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни в таком быстром темпе, мы действительно рисковали бы своей жизнью, имея вокруг себя эти батарейки.

Учитывая их применение, их нелегко заменить, но если бы проблему теплового неконтроля можно было решить, баланс был бы восстановлен в раю.

Как мы можем предотвратить тепловой выход из строя? Литий-ионные аккумуляторы ?

1. Представляем огнезащитный состав
Термический разгон часто происходит из-за проколов и неправильной зарядки. Чтобы противостоять такой опасности возгорания, изобретатели использовали терможидкость, содержащую антипирен.

Антипирен — это соединение, которое подавляет, подавляет или задерживает возникновение пламени или предотвращает распространение огня.

Здесь они микроинкапсулировали антипирен (обычно соединение брома) в полиэтилен высокой плотности и добавили воду и гликолевое соединение для приготовления используемой теплоносителя. Соединение гликоля используется здесь в качестве «антифриза» (обычно используемыми соединениями гликоля являются этиленгликоль, диэтиленгликоль и пропиленгликоль).

Кроме того, изобретение в основном обсуждается в контексте аккумуляторов для электромобилей. Аккумулятор, когда он используется для питания электромобиля, нагревается. Теплоноситель течет через контейнер и над модулями батареи.

В случае перезарядки или автомобильной аварии, повлекшей за собой прокол аккумулятора, антипирен в терможидкости снижает опасность возгорания. Точнее, микрокапсулы соединений брома разрываются при достижении температуры разрыва из-за избыточного тепла огня. Огнезащитный состав высвобождается из микрокапсул и позволяет взять огонь под контроль.

2. Использование устройств, инициирующих повреждение
Регенты Калифорнийского университета, похоже, довольно активно исследуют способы решения проблемы теплового неконтроля.

В 2006 году они подали патент на полимерные электролиты с высоким модулем упругости, подходящие для предотвращения термического выхода из-под контроля (US8703310). Другая группа изобретателей подала этот патент (например, US'535) в 2013 году на уменьшение теплового неконтроля с использованием материалов или устройств, вызывающих повреждение.

Точнее, они разработали механизм отключения из-за перегрева, который может срабатывать механически или термически (или и то, и другое) в случае повреждения батареи (т. е. до или вскоре после начала перегрева) и устранять проблему еще до того, как она начнется. .

Такие прогнозирующие или мгновенные контрмеры особенно необходимы, когда батарея подвергается удару или высокому давлению (например, в результате несчастного случая, о котором я также упоминал в предыдущем патенте US'886) и ее внутренняя структура повреждена, вызывая внутреннее короткое замыкание.

Основной принцип его работы заключается в следующем: поскольку к аккумулятору прикладывается механическая нагрузка, инициаторы повреждения могут вызвать обширное повреждение или разрушение электрода, в результате чего внутреннее сопротивление значительно увеличивается, чтобы уменьшить тепловой разгон еще до того, как он произойдет.

Здесь рассказали о двух типах инициаторов повреждений –

Пассивные инициаторы урона

Эти инициаторы инициируют растрескивание или образование пустот в электродах при ударе, и такие трещины и/или пустоты увеличивают внутренний импеданс электрода и, таким образом, уменьшают выделение тепла, связанное с возможным внутренним замыканием. Такие добавки известны как инициаторы трещин или пустот (CVI).

Повреждения электродов могут быть вызваны отслоением или несоответствием жесткости границ раздела CVI-электрод, разрушением и разрывом CVI и т. д. Примеры пассивных добавок включают твердые или пористые частицы, твердые или полые/пористые волокна, трубки и т. д., и они могут быть образованы из углеродных материалов, таких как графит, углеродные нанотрубки, активированные угли, сажи и т. д.

Инициатор активного урона

Эти инициаторы могут вызывать значительные изменения объема или формы при механической или термической нагрузке. Инициаторы активных повреждений могут включать твердые или пористые частицы, твердые или полые шарики, твердые или полые/пористые волокна и трубки и т. д. Инициаторы активных повреждений могут быть изготовлены из сплавов с памятью формы, таких как Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni. —Ti—Pt и т. д.

Химические вещества, выделяющиеся во время термический побег может быть токсичным, а в крайних случаях тепловой выход может привести к возгоранию электропроводки и/или взрыву батарей. Температура окружающего воздуха в месте установки батареи также должна поддерживаться надлежащим образом. Контроль этих факторов снижает вероятность термический побег .

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