Как да спрем експлозията на литиево-йонните батерии поради термично бягство?

Топлинното бягство е дългогодишен проблем, който тормози големи корпорации като Тесла , Samsung , и Боинг и малки еднакво.

Dreamliner 787 на Boeing, който Boeing рекламира като 20% икономия на гориво, беше спрян през 2013 г. През същата година Model S на Tesla попадна под федерално разследване за безопасност, след като се запали поне 3 пъти.Миналата година Samsung изтегли 2,5 милиона смартфона Galaxy Note 7.

И за трите компании, които са топ играчи в своя домейн, проблемът беше един и същ – литиево-йонните батерии, инсталирани в сърцето на техния продукт като източник на енергия.Литиево-йонните батерии, инсталирани в Tesla Model S, Dreamliner 787 и Galaxy Note 7, експлодираха непрекъснато.

Защо литиево-йонната батерия експлодира неочаквано?

Литиево-йонните батерии са най-използваният тип батерии в няколко индустрии, но знаете ли какво ги прави опасни?Ако сте изследовател, работещ с литиево-йонни батерии, ще знаете, че една от основните причини, поради които повечето литиево-йонни батерии експлодират, е поради термичното бягане.

Какво е топлинно бягане и защо е водещата причина за експлозии на батерии?
В литиево-йонните батерии катодът и анодът са разделени от тънък – понякога 10 микрона – полиетиленов сепаратор.Когато този сепаратор се спука, възниква късо съединение, което инициира процеса, наречен топлинно бягане.

Топлинното изтичане обикновено се случва по време на зареждане.Температурата бързо се повишава до точката на топене на металния литий и предизвиква бурна реакция.

Друга основна причина зад топлинното бягство са други микроскопични метални частици, влизащи в контакт с различни части на батерията (това се случва през цялото време в процеса на сглобяване на батерията), което води до късо съединение.

Обикновено леко късо съединение може да причини повишен саморазряд и се генерира малко топлина, тъй като енергията на разреждане е много ниска.Но когато достатъчно микроскопични метални частици се съберат на едно място, може да възникне голямо електрическо късо съединение и значителен ток ще тече между положителните и отрицателните пластини.

Това води до повишаване на температурата, което води до термично изтичане, наричано още „проветряване с пламък“.

По време на термично бягане, високата топлина на повредената клетка може да се разпространи към следващата клетка, причинявайки и тя да стане термично нестабилна.В някои случаи възниква верижна реакция, при която всяка клетка се разпада по свой собствен график.

Защо експлозията на литиево-йонни батерии е основен проблем за всички?

Смартфонът в джоба ви се захранва от a Li-Ion батерия .Те са едни от най-популярните видове акумулаторни батерии за преносима електроника поради тяхната висока енергийна плътност, малък ефект на паметта и нисък саморазряд.

Отвъд потребителската електроника, литиево-йонните батерии са популярни за военни, електрически превозни средства и космически приложения.Например, литиево-йонните батерии замениха конвенционалните оловно-киселинни батерии, които са били използвани в миналото за колички за голф и помощни превозни средства.

Размерът на глобалния пазар на литиево-йонни батерии се очаква да достигне 46,21 милиарда долара до 2022 г., с CAGR от 10,8% през периода 2016-2022 г.

За нещо, което се превърна в неразделна част от нашето ежедневие с толкова бързи темпове, ние наистина бихме рискували живота си с тези батерии около нас.

Като се имат предвид приложенията им, те не са лесно заменими, но ако проблемът с топлинното изтичане може да бъде решен, балансът ще се възстанови в рая.

Как можем да предотвратим термично бягство Литиево-йонни батерии ?

1. Представяне на забавител на горенето
Топлинното бягство често се получава от пробиви и неправилно зареждане.За да се противопоставят на такива опасности от пожар, изобретателите са използвали термична течност, която съдържа забавител на горенето.

Забавителят на горенето е съединение, което инхибира, потиска или забавя производството на пламъци или предотвратява разпространението на огъня.

Тук те са микрокапсулирали забавителя на горенето (обикновено бромно съединение) в полиетилен с висока плътност и са добавили вода и гликолово съединение за приготвяне на използваната термична течност.Гликоловото съединение се използва тук като „антифриз“ (често използваните гликолови съединения са етилен гликол, диетилен гликол и пропилен гликол).

Освен това изобретението се обсъжда най-вече в светлината на EV батериите.Батерията се нагрява, когато се изисква да захранва електрическо превозно средство.Термичната течност протича през контейнера и над модулите на батерията.

В случай на презареждане или автомобилна катастрофа, водеща до пробиване на батерията, забавителят на горенето в термалната течност намалява опасността от пожар.По-точно, микрокапсулите от бромни съединения се разрушават, когато се достигне температура на разрушаване поради излишната топлина на огъня.Забавителят на горенето се освобождава от микрокапсулите и действа, за да овладее огъня.

2. Използване на устройства за иницииране на щети
Регентите от Калифорнийския университет изглежда са доста активни в проучването как да се справят с проблема с топлинното бягане.

През 2006 г. те подадоха патент, свързан с полимерни електролити с висок модул на еластичност, подходящи за предотвратяване на термично бягство (US8703310).Различен набор от изобретатели са подали този патент (т.е. US'535) през 2013 г. за смекчаване на топлинното бягство с помощта на материали или устройства, иницииращи повреда.

По-точно, те са разработили механизъм за изключване на термичния режим, който може да се задейства или механично, или термично (или и двете), когато се случи повреда на батерията (т.е. преди или малко след началото на термичния режим) и да се погрижи за проблема, преди дори да започне .

Такива предсказуеми или незабавни контрамерки са особено необходими, когато батерия е подложена на удар или високо налягане (като инцидент, както споменах и за предишния патент US'886) и нейната вътрешна структура е повредена, причинявайки вътрешно късо съединение.

Основният принцип, на който работи, е – когато към батерията се приложи механично натоварване, инициаторите на повреда могат да предизвикат широко разпространена повреда или разрушаване на електрода, така че вътрешното съпротивление да се увеличи значително, за да се смекчи топлинното бягство дори преди това да се случи.

Тук са говорили за два вида инициатори на щети –

Пасивни инициатори на щети

Тези инициатори инициират напукване или кухини в електродите при удар и такива пукнатини и/или кухини увеличават вътрешния импеданс на електрода и по този начин намаляват генерирането на топлина, свързано с възможно вътрешно късо съединение.Такива добавки са известни като инициатори на пукнатини или кухини (CVI).

Повредите на електрода могат да бъдат причинени от разцепване или несъответствие на твърдостта на интерфейсите CVI-електрод, счупване и разкъсване на CVI и т.н. Примерите за пасивни добавки включват твърди или порести частици, твърди или кухи/порести влакна и тръби и т.н., и те могат да бъдат образувани от въглеродни материали като графит, въглеродни нанотръби, активен въглен, сажди и др.

Активен инициатор на щети

Тези инициатори могат да доведат до значителна промяна на обема или формата при механично или термично натоварване.Активните инициатори на увреждане могат да включват твърди или порести частици, твърди или кухи зърна, твърди или кухи/порести влакна и тръби и т.н. Активните инициатори на увреждане могат да бъдат формирани от сплави с памет на формата като Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt и др.

Химикалите, които се отделят по време на топлинно бягане може да бъде токсичен и в екстремни случаи топлинното изтичане може да причини електрически пожари и/или експлозия на батерии.Температурата на околния въздух в средата на батерията също трябва да се поддържа правилно.Контролирането на тези фактори намалява потенциала за топлинно бягане .

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