Ako zastaviť explóziu lítium-iónových batérií v dôsledku tepelného úniku?

Tepelný únik je dlhodobý problém, ktorý trápi veľké korporácie Tesla , Samsung , a Boeing a malí podobne.

Boeing Dreamliner 787, ktorý Boeing propagoval ako 20% úsporný, bol pozastavený v roku 2013. V tom istom roku bol Tesla Model S podrobený federálnemu bezpečnostnému vyšetrovaniu po tom, čo začal horieť najmenej 3-krát.Minulý rok Samsung stiahol 2,5 milióna smartfónov Galaxy Note 7.

Pre všetky tri spoločnosti, ktoré sú špičkovými hráčmi vo svojej doméne, bol problém rovnaký – lítium-iónové batérie nainštalované v srdci ich produktu ako zdroj energie.Lítium-iónové batérie nainštalované v Tesla Model S, Dreamliner 787 a Galaxy Note 7 neustále explodovali.

Prečo lítium-iónová batéria neočakávane exploduje?

Lítium-iónové batérie sú najpoužívanejším typom batérií v niekoľkých odvetviach, ale viete, čo ich robí nebezpečnými?Ak ste výskumník pracujúci s lítium-iónovými batériami, viete, že jedným z hlavných dôvodov, prečo väčšina lítium-iónových batérií exploduje, je tepelný únik.

Čo je to tepelný únik a prečo je hlavnou príčinou výbuchov batérií?
V lítium-iónových batériách sú katóda a anóda oddelené tenkým – niekedy 10 mikrónovým – polyetylénovým separátorom.Keď sa tento separátor pretrhne, dôjde ku skratu, ktorý spustí proces nazývaný tepelný únik.

K úniku tepla zvyčajne dochádza počas nabíjania.Teplota rýchlo stúpa na bod topenia kovového lítia a spôsobuje prudkú reakciu.

Ďalším hlavným dôvodom tepelného úniku sú iné mikroskopické kovové častice, ktoré prichádzajú do kontaktu s rôznymi časťami batérie (to sa stáva neustále v procese montáže batérie), čo vedie ku skratu.

Mierny skrat môže zvyčajne spôsobiť zvýšené samovybíjanie a vytvára sa málo tepla, pretože vybíjacia energia je veľmi nízka.Keď sa však na jednom mieste zbieha dostatok mikroskopických kovových častíc, môže dôjsť k veľkému elektrickému skratu a medzi kladnou a zápornou doskou pretečie značný prúd.

To spôsobí zvýšenie teploty, čo vedie k tepelnému úniku, ktorý sa tiež nazýva „odvzdušňovanie plameňom“.

Počas tepelného úniku sa vysoké teplo zlyhávajúceho článku môže šíriť do ďalšieho článku, čo spôsobí, že sa stane aj tepelne nestabilným.V niektorých prípadoch dochádza k reťazovej reakcii, pri ktorej sa každá bunka rozpadá podľa vlastného časového harmonogramu.

Prečo je výbuch lítium-iónových batérií hlavným problémom pre všetkých?

Smartfón vo vrecku je napájaný a Li-Ion batéria .Sú jedným z najpopulárnejších typov dobíjacích batérií pre prenosnú elektroniku, pretože majú vysokú hustotu energie, malý pamäťový efekt a nízke samovybíjanie.

Okrem spotrebnej elektroniky sú lítium-iónové batérie obľúbené pre vojenské, elektrické vozidlá a letectvo.Napríklad lítium-iónové batérie nahradili konvenčné olovené batérie, ktoré sa v minulosti používali pre golfové vozíky a úžitkové vozidlá.

Očakáva sa, že veľkosť globálneho trhu s lítium-iónovými batériami dosiahne do roku 2022 46,21 miliardy USD s CAGR 10,8 % počas obdobia 2016-2022.

Pre niečo, čo sa stalo neoddeliteľnou súčasťou nášho každodenného života takým rýchlym tempom, by sme skutočne riskovali svoje životy, keď máme tieto batérie okolo seba.

Vzhľadom na ich použitie nie sú ľahko vymeniteľné, ale ak by sa problém s tepelným únikom vyriešil, rovnováha by sa obnovila v raji.

Ako môžeme zabrániť tepelnému úniku Lítium-iónové batérie ?

1. Predstavujeme spomaľovač horenia
Tepelný únik sa často vyskytuje v dôsledku prepichnutia a nesprávneho nabíjania.Aby sa zabránilo takýmto nebezpečenstvám požiaru, vynálezcovia použili tepelnú kvapalinu, ktorá obsahuje spomaľovač horenia.

Spomaľovač horenia je zlúčenina, ktorá inhibuje, potláča alebo odďaľuje tvorbu plameňov alebo zabraňuje šíreniu ohňa.

Tu mikroenkapsulovali spomaľovač horenia (zvyčajne zlúčeninu brómu) do polyetylénu s vysokou hustotou a pridali vodu a glykolovú zlúčeninu na prípravu použitej tepelnej kvapaliny.Glykolová zlúčenina sa tu používa ako „nemrznúca zmes“ (bežne používané glykolové zlúčeniny sú etylénglykol, dietylénglykol a propylénglykol).

O vynáleze sa tiež väčšinou diskutuje vo svetle batérií EV.Keď je batéria vyzvaná na napájanie elektrického vozidla, zahrieva sa.Tepelná kvapalina preteká cez nádobu a cez moduly batérie.

V prípade prebitia alebo autonehody, ktorá má za následok prepichnutie batérie, spomaľovač horenia v tepelnej kvapaline znižuje nebezpečenstvo požiaru.Presnejšie povedané, mikrokapsuly so zlúčeninou brómu prasknú, keď sa dosiahne teplota prasknutia v dôsledku nadmerného tepla ohňa.Spomaľovač horenia sa uvoľňuje z mikrokapsúl a pôsobí tak, aby dostal oheň pod kontrolu.

2. Používanie zariadení vyvolávajúcich poškodenie
Zdá sa, že regenti Kalifornskej univerzity sú dosť aktívni vo výskume, ako sa vysporiadať s problémom tepelného úniku.

V roku 2006 podali patent týkajúci sa polymérnych elektrolytov s vysokým modulom pružnosti, ktoré sú vhodné na zabránenie úniku tepla (US8703310).Iná skupina vynálezcov podala tento patent (tj US'535) v roku 2013 o zmiernení tepelného úniku pomocou materiálov alebo zariadení, ktoré iniciujú poškodenie.

Presnejšie povedané, vyvinuli mechanizmus vypnutia pri tepelnom úniku, ktorý možno spustiť buď mechanicky alebo tepelne (alebo oboje), keď dôjde k poškodeniu batérie (tj pred alebo krátko po spustení tepelného úniku) a postarajú sa o problém skôr, než sa vôbec začne. .

Takéto prediktívne alebo okamžité protiopatrenia sú obzvlášť potrebné, keď je batéria vystavená nárazu alebo vysokému tlaku (ako nehoda, ako som spomenul aj pri predchádzajúcom patente US'886) a jej vnútorná štruktúra je poškodená, čo spôsobuje vnútorný skrat.

Základný princíp, na ktorom funguje, je – keď je na batériu aplikované mechanické zaťaženie, iniciátory poškodenia môžu spustiť rozsiahle poškodenie alebo zničenie elektródy, takže vnútorný odpor sa výrazne zvýši, aby sa zmiernil tepelný únik ešte skôr, ako k nemu môže dôjsť.

Tu hovorili o dvoch typoch iniciátorov poškodenia –

Pasívne iniciátory poškodenia

Tieto iniciátory iniciujú praskanie alebo tvorbu dutín v elektródach pri náraze a takéto praskliny a/alebo dutiny zvyšujú vnútornú impedanciu elektródy a tým znižujú tvorbu tepla spojenú s možným vnútorným skratom.Takéto prísady sú známe ako iniciátory trhlín alebo dutín (CVI).

Poškodenie elektródy môže byť spôsobené rozpojením alebo nesúladom tuhosti rozhraní CVI-elektróda, prasknutím a prasknutím CVI atď. Príklady pasívnych prísad zahŕňajú pevné alebo porézne častice, pevné alebo duté/porézne vlákna a rúrky atď. môžu byť vytvorené z uhlíkových materiálov, ako je grafit, uhlíkové nanorúrky, aktívne uhlie, sadze atď.

Aktívny iniciátor poškodenia

Tieto iniciátory môžu spôsobiť výraznú zmenu objemu alebo tvaru pri mechanickom alebo tepelnom zaťažení.Aktívne iniciátory poškodenia môžu zahŕňať pevné alebo porézne častice, pevné alebo duté guľôčky, pevné alebo duté/porézne vlákna a rúrky atď. Aktívne iniciátory poškodenia môžu byť vytvorené zo zliatin s tvarovou pamäťou, ako sú Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti — Pt atď.

Chemikálie, ktoré sa uvoľňujú počas tepelný útek môžu byť toxické a v extrémnych prípadoch môže tepelný únik spôsobiť elektrické požiare a/alebo výbuch batérií.Teplota okolitého vzduchu v prostredí batérie musí byť tiež správne udržiavaná.Ovládanie týchto faktorov znižuje potenciál pre tepelný útek .

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