Як зупинити вибух літій-іонних акумуляторів через перепад тепла?

Теплова втеча — це давня проблема, яка турбує такі великі корпорації, як Тесла , Samsung , і Боїнг і маленькі однаково.

Dreamliner 787 Boeing, який Boeing рекламував як економію палива на 20%, був припинений у 2013 році. У тому ж році Model S від Tesla потрапила під федеральне розслідування безпеки після того, як вона загорілася щонайменше 3 рази.Минулого року Samsung відкликала 2,5 мільйона смартфонів Galaxy Note 7.

Для всіх трьох компаній, які є провідними гравцями у своїй галузі, проблема була однаковою – літій-іонні батареї, встановлені в серці їхнього продукту як джерело живлення.Літій-іонні батареї, встановлені в Tesla Model S, Dreamliner 787 і Galaxy Note 7, постійно вибухали.

Чому літій-іонний акумулятор несподівано вибухає?

Літій-іонні акумулятори є найбільш використовуваним типом акумуляторів у кількох галузях промисловості, але чи знаєте ви, що робить їх небезпечними?Якщо ви дослідник, який працює з літій-іонними батареями, ви знаєте, що однією з головних причин, чому більшість літій-іонних батарей вибухають, є термічний витік.

Що таке тепловий викид і чому він є основною причиною вибухів акумуляторів?
У літій-іонних батареях катод і анод розділені тонким – іноді 10 мікрон – поліетиленовим сепаратором.Коли цей сепаратор розривається, відбувається коротке замикання, яке ініціює процес, званий тепловим відходом.

Теплова втеча зазвичай відбувається під час заряджання.Температура швидко підвищується до точки плавлення металевого літію і викликає бурхливу реакцію.

Іншою основною причиною теплового розбігу є інші мікроскопічні частинки металу, які стикаються з різними частинами батареї (це відбувається весь час у процесі складання батареї), що призводить до короткого замикання.

Зазвичай легке коротке замикання може спричинити підвищений саморозряд і виділяється мало тепла, оскільки енергія розряду дуже низька.Але коли достатня кількість мікроскопічних частинок металу збирається в одній точці, може виникнути велике електричне замикання, і між позитивною та негативною пластинами потече значний струм.

Це спричиняє підвищення температури, що призводить до теплового розбігу, який також називають «вентиляцією полум’ям».

Під час теплового виходу висока температура пошкодженої клітини може поширюватися на наступну клітину, внаслідок чого вона також стає термічно нестабільною.У деяких випадках відбувається ланцюгова реакція, під час якої кожна клітина розпадається за власним графіком.

Чому вибух літій-іонних акумуляторів є головною проблемою для всіх?

Смартфон у вашій кишені живиться від a Li-Ion акумулятор .Вони є одними з найпопулярніших типів акумуляторних батарей для портативної електроніки через їх високу щільність енергії, невеликий ефект пам’яті та низький саморозряд.

Крім споживчої електроніки, літій-іонні батареї популярні для військових, електромобілів і аерокосмічних застосувань.Наприклад, літій-іонні батареї замінили звичайні свинцево-кислотні батареї, які історично використовувалися для візків для гольфу та легкових автомобілів.

Очікується, що до 2022 року світовий ринок літій-іонних акумуляторів досягне 46,21 мільярда доларів із середньорічним зростанням 10,8% у період 2016-2022 років.

За те, що стало невід’ємною частиною нашого повсякденного життя з такими швидкими темпами, ми дійсно ризикували б своїм життям, маючи поруч ці батареї.

Враховуючи їхнє застосування, їх нелегко замінити, але якби проблему витоку тепла можна було вирішити, баланс відновився б у раю.

Як ми можемо запобігти виникненню тепла Літій-іонні акумулятори ?

1. Представляємо антипірен
Теплові розбіжності часто виникають через проколи та неправильну зарядку.Щоб протистояти такій небезпеці пожежі, винахідники використовували теплоносій, який містить антипірен.

Антипірен - це речовина, яка пригнічує, пригнічує або затримує утворення полум'я або запобігає поширенню вогню.

Тут вони мікрокапсулювали антипірен (зазвичай сполуку брому) у поліетилен високої щільності та додавали воду та гліколеву сполуку для приготування використовуваної теплоносії.Сполука гліколю використовується тут як «антифриз» (звичайними сполуками гліколю є етиленгліколь, діетиленгліколь і пропіленгліколь).

Крім того, винахід в основному обговорюється в світлі акумуляторів електромобілів.Акумулятор нагрівається, коли його викликають для живлення електромобіля.Теплова рідина протікає через контейнер і над модулями батареї.

У разі перезарядки або автомобільної аварії, яка призвела до проколу батареї, антипірен у теплоносії зменшує небезпеку пожежі.Точніше, мікрокапсули сполуки брому розриваються при досягненні температури розриву через надлишкове тепло вогню.Антипірен вивільняється з мікрокапсул і тримає вогонь під контролем.

2. Використання пристроїв, що викликають пошкодження
Рідженти Каліфорнійського університету, схоже, досить активно досліджують, як впоратися з проблемою термічної втечі.

У 2006 році вони подали патент, пов'язаний з полімерними електролітами з високим модулем пружності, придатними для запобігання термічному витоку (US8703310).Інша група винахідників подала цей патент (тобто US'535) у 2013 році про пом’якшення теплових розбігів за допомогою матеріалів або пристроїв, що ініціюють пошкодження.

Точніше кажучи, вони розробили механізм відключення теплового розгону, який можна активувати механічно або термічно (або обома способами), коли відбувається пошкодження батареї (тобто до або незабаром після початку теплового розгону), і вирішити проблему ще до того, як вона почнеться. .

Такі прогностичні або миттєві контрзаходи особливо необхідні, коли батарея піддається удару або високому тиску (наприклад, нещасний випадок, як я також згадував для попереднього патенту US'886), і її внутрішня структура пошкоджена, що спричиняє внутрішнє замикання.

Основний принцип, на якому він працює, полягає в тому, що коли до батареї прикладається механічне навантаження, ініціатори пошкодження можуть спровокувати значне пошкодження або руйнування електрода, внаслідок чого внутрішній опір значно зростає, щоб пом’якшити перепад тепла ще до того, як це станеться.

Тут вони говорили про два типи ініціаторів шкоди –

Ініціатори пасивної шкоди

Ці ініціатори ініціюють розтріскування або утворення порожнеч в електродах під час удару, і такі тріщини та/або порожнечі збільшують внутрішній опір електрода і, таким чином, зменшують виділення тепла, пов’язане з можливим внутрішнім замиканням.Такі добавки відомі як ініціатори тріщин або пустот (CVI).

Пошкодження електродів можуть бути викликані від’єднанням або невідповідністю жорсткості інтерфейсу CVI-електрод, руйнуванням і розривом CVI тощо. Приклади пасивних добавок включають тверді або пористі частинки, тверді або порожнисті/пористі волокна, трубки тощо, і вони можуть бути утворені з вуглецевих матеріалів, таких як графіт, вуглецеві нанотрубки, активоване вугілля, сажа тощо.

Активний ініціатор пошкоджень

Ці ініціатори можуть викликати значну зміну об'єму або форми при механічному або термічному навантаженні.Ініціатори активного пошкодження можуть включати тверді або пористі частинки, тверді або порожнисті кульки, тверді або порожнисті/пористі волокна та трубки тощо. Ініціатори активного пошкодження можуть бути сформовані зі сплавів з пам’яттю форми, таких як Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt тощо.

Хімічні речовини, які виділяються під час теплова втеча може бути токсичним, а в екстремальних випадках витік тепла може спричинити електричні пожежі та/або вибух батареї.Температура навколишнього повітря в середовищі батареї також повинна підтримуватися належним чином.Контроль цих факторів зменшує потенціал для теплова втеча .

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