Kako ustaviti eksplozijo litij-ionskih baterij zaradi toplotnega uhajanja?

Toplotni beg je dolgotrajna težava, ki je prisluškovala velikim korporacijam, kot je Tesla , Samsung , in Boeing in enako majhni.

Boeingov Dreamliner 787, ki ga je Boeing oglaševal kot 20-odstotno varčno porabo goriva, je bil prizemljen leta 2013. Istega leta je bil Teslin model S predmet zvezne varnostne preiskave, potem ko je vsaj 3-krat zagorel.Lani je Samsung odpoklical 2,5 milijona pametnih telefonov Galaxy Note 7.

Za vsa tri podjetja, ki so vrhunski igralci na svojem področju, je bila težava enaka – litij-ionske baterije, nameščene v srcu njihovega izdelka kot vir energije.Litij-ionske baterije, nameščene v Tesla Model S, Dreamliner 787 in Galaxy Note 7, so nenehno eksplodirale.

Zakaj litij-ionska baterija nepričakovano eksplodira?

Litij-ionske baterije so najpogosteje uporabljena vrsta baterij v več panogah, toda ali veste, zakaj so nevarne?Če ste raziskovalec, ki dela z litij-ionskimi baterijami, bi vedeli, da je eden od glavnih razlogov, zakaj večina litij-ionskih baterij eksplodira, toplotni beg.

Kaj je toplotni beg in zakaj je glavni vzrok za eksplozije baterij?
V litij-ionskih baterijah sta katoda in anoda ločeni s tankim – včasih 10 mikronov – polietilenskim separatorjem.Ko ta separator poči, pride do kratkega stika, ki sproži proces, imenovan toplotni beg.

Toplotni beg se običajno zgodi med polnjenjem.Temperatura hitro naraste do tališča kovinskega litija in povzroči burno reakcijo.

Drugi glavni razlog za toplotno uhajanje so drugi mikroskopski kovinski delci, ki pridejo v stik z različnimi deli baterije (to se dogaja ves čas v procesu sestavljanja baterije), kar povzroči kratek stik.

Običajno lahko blag kratek stik povzroči povečano samopraznjenje in nastane malo toplote, ker je energija praznjenja zelo nizka.Ko pa se dovolj mikroskopskih kovinskih delcev zbere na enem mestu, lahko pride do velikega kratkega stika in med pozitivno in negativno ploščo bo stekel precejšen tok.

To povzroči dvig temperature, kar vodi do toplotnega uhajanja, imenovanega tudi "prezračevanje s plamenom".

Med toplotnim pobegom se lahko visoka toplota okvarjene celice razširi na naslednjo celico, kar povzroči, da prav tako postane termično nestabilna.V nekaterih primerih pride do verižne reakcije, pri kateri vsaka celica razpade po svojem urniku.

Zakaj je eksplozija litij-ionskih baterij velika težava za vse?

Pametni telefon v vašem žepu poganja a Li-Ion baterija .So ena izmed najbolj priljubljenih vrst akumulatorskih baterij za prenosno elektroniko zaradi svoje visoke energijske gostote, majhnega spominskega učinka in nizkega samopraznjenja.

Poleg potrošniške elektronike so litij-ionske baterije priljubljene za uporabo v vojski, električnih vozilih in vesolju.Na primer, litij-ionske baterije so nadomestile običajne svinčeno-kislinske baterije, ki so se v preteklosti uporabljale za vozičke za golf in gospodarska vozila.

Velikost svetovnega trga litij-ionskih baterij naj bi do leta 2022 dosegla 46,21 milijarde USD, s CAGR 10,8 % v obdobju 2016–2022.

Za nekaj, kar je tako hitro postalo sestavni del našega vsakdana, bi res tvegali svoja življenja s temi baterijami okoli sebe.

Glede na njihovo uporabo jih ni enostavno zamenjati, toda če bi bilo mogoče rešiti problem toplotnega uhajanja, bi se ravnovesje ponovno vzpostavilo v raju.

Kako lahko preprečimo toplotni umik Litij-ionske baterije ?

1. Predstavljamo zaviralec gorenja
Toplotni beg se pogosto pojavi zaradi prebojev in nepravilnega polnjenja.Da bi preprečili takšne nevarnosti požara, so izumitelji uporabili toplotno tekočino, ki vsebuje zaviralec gorenja.

Zaviralec gorenja je spojina, ki zavira, duši ali zadržuje nastajanje plamenov ali preprečuje širjenje ognja.

Tukaj so mikrokapsulirali zaviralec gorenja (običajno bromovo spojino) v polietilen visoke gostote ter dodali vodo in glikolno spojino za pripravo uporabljene toplotne tekočine.Spojina glikola se tukaj uporablja kot "antifriz" (običajno uporabljene spojine glikola so etilen glikol, dietilen glikol in propilen glikol).

Prav tako se izum večinoma obravnava v luči baterij za električna vozila.Baterija se segreje, ko je potrebna za napajanje električnega vozila.Toplotna tekočina teče skozi posodo in preko modulov baterije.

V primeru prenapolnjenosti ali prometne nesreče, ki povzroči predrtje baterije, zaviralec gorenja v toplotni tekočini zmanjša nevarnost požara.Natančneje, mikrokapsule bromove spojine počijo, ko je dosežena temperatura porušitve zaradi presežne toplote ognja.Zaviralec gorenja se sprosti iz mikrokapsul in deluje tako, da obvlada ogenj.

2. Uporaba naprav za sprožitev poškodb
Zdi se, da so Regenti Univerze v Kaliforniji precej dejavni pri raziskovanju, kako se spoprijeti s problemom toplotnega uhajanja.

Leta 2006 so vložili patent v zvezi s polimernimi elektroliti z visokim modulom elastičnosti, primernimi za preprečevanje toplotnega uhajanja (US8703310).Druga skupina izumiteljev je leta 2013 vložila ta patent (tj. US'535) o ublažitvi toplotnega uhajanja z uporabo materialov ali naprav, ki povzročajo poškodbe.

Natančneje, razvili so mehanizem za zaustavitev termičnega odtekanja, ki ga je mogoče sprožiti mehansko ali termično (ali oboje), ko pride do poškodbe akumulatorja (tj. pred ali kmalu po začetku toplotnega odtekanja), in odpraviti težavo, preden se sploh lahko začne. .

Takšni predvideni ali takojšnji protiukrepi so še posebej potrebni, ko je baterija izpostavljena udarcu ali visokemu tlaku (kot je nesreča, kot sem omenil tudi za prejšnji patent US'886) in je njena notranja struktura poškodovana, kar povzroči notranji kratki stik.

Osnovno načelo, na katerem deluje, je – ko se na baterijo uporabi mehanska obremenitev, lahko pobudniki poškodb sprožijo obsežno poškodbo ali uničenje elektrode, tako da se notranji upor znatno poveča za ublažitev toplotnega uhajanja, še preden se lahko zgodi.

Tukaj so govorili o dveh vrstah pobudnikov škode –

Pobudniki pasivne škode

Ti iniciatorji sprožijo razpoke ali praznine v elektrodah ob udarcu in takšne razpoke in/ali praznine povečajo notranjo impedanco elektrode in tako zmanjšajo nastajanje toplote, povezano z morebitnim notranjim kratkim stikom.Takšni dodatki so znani kot sprožilci razpok ali praznin (CVI).

Poškodbe elektrode so lahko posledica razpadanja ali neusklajenosti togosti vmesnikov CVI-elektroda, zloma in pretrganja CVI itd. Primeri pasivnih dodatkov vključujejo trdne ali porozne delce, trdna ali votla/porozna vlakna in cevi itd. se lahko oblikuje iz ogljikovih materialov, kot so grafit, ogljikove nanocevke, aktivno oglje, saje itd.

Aktivni pobudnik poškodb

Ti iniciatorji lahko pri mehanski ali termični obremenitvi povzročijo znatno spremembo volumna ali oblike.Iniciatorji aktivnih poškodb lahko vključujejo trdne ali porozne delce, trdne ali votle kroglice, trdna ali votla/porozna vlakna in cevi itd. Iniciatorji aktivnih poškodb so lahko oblikovani iz zlitin s spominom oblike, kot so Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt itd.

Kemikalije, ki se sproščajo med toplotni beg je lahko strupeno in v skrajnih primerih lahko toplotni beg povzroči električne požare in/ali eksplozijo baterij.Prav tako je treba ustrezno vzdrževati temperaturo okoljskega zraka v okolju baterije.Nadzor nad temi dejavniki zmanjša možnost za toplotni beg .

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