Com aturar l'explosió de les bateries d'ions de liti a causa de la fugida tèrmica?

La fuga tèrmica és un problema de llarga data que ha molestat a grans corporacions com Tesla , Samsung , i Boeing i petits per igual.

El Dreamliner 787 de Boeing, que Boeing va anunciar com un 20% d'eficiència de combustible, es va posar a terra el 2013. El mateix any, el Model S de Tesla va ser sotmès a una investigació federal de seguretat després que es va incendiar almenys 3 vegades.L'any passat, Samsung va retirar 2,5 milions de telèfons intel·ligents Galaxy Note 7.

Per a les tres empreses, que són els principals jugadors del seu domini, el problema era el mateix: les bateries d'ions de liti instal·lades al cor del seu producte com a font d'alimentació.Les bateries d'ió de liti instal·lades a Tesla Model S, Dreamliner 787 i Galaxy Note 7 estaven explotant contínuament.

Per què una bateria de ions de liti explota de manera inesperada?

Les bateries d'ions de liti són el tipus de bateries més utilitzat en diverses indústries, però, saps què les fa perilloses?Si sou un investigador que treballa amb bateries d'ions de liti, sabríeu que una de les principals raons per les quals la majoria de les bateries d'ió de liti exploten és a causa de la fugida tèrmica.

Què és la fuga tèrmica i per què és la principal causa de les explosions de la bateria?
A les bateries d'ions de liti, el càtode i l'ànode estan separats per un separador de polietilè prim, de vegades de 10 micres.Quan aquest separador es trenca, es produeix un curtcircuit que inicia el procés anomenat fuga tèrmica.

La fuga tèrmica es produeix normalment durant la càrrega.La temperatura puja ràpidament fins al punt de fusió del liti metàl·lic i provoca una reacció violenta.

Un altre motiu important darrere de la fuga tèrmica és que altres partícules metàl·liques microscòpiques entren en contacte amb diferents parts de la bateria (això passa tot el temps en el procés de muntatge de la bateria), donant lloc a un curtcircuit.

Normalment, un curtcircuit lleu pot provocar una autodescàrrega elevada i es genera poca calor perquè l'energia de descàrrega és molt baixa.Però, quan convergeixen prou partícules metàl·liques microscòpiques en un punt, es pot produir un curt elèctric important i un corrent important fluirà entre les plaques positives i negatives.

Això fa que la temperatura augmenti, donant lloc a una fuga tèrmica, també anomenada "ventilació amb flama".

Durant una fuga tèrmica, la calor elevada de la cèl·lula fallida es pot propagar a la següent cèl·lula, fent que també es torni inestable tèrmicament.En alguns casos, es produeix una reacció en cadena en la qual cada cèl·lula es desintegra al seu propi horari.

Per què l'explosió de les bateries d'ions de liti és un problema important per a tots?

El telèfon intel·ligent de la butxaca funciona amb un Bateria Li-Ion .Són un dels tipus de bateries recarregables més populars per a l'electrònica portàtil a causa de la seva alta densitat d'energia, un petit efecte de memòria i una baixa autodescàrrega.

Més enllà de l'electrònica de consum, les bateries d'ions de liti són populars per a aplicacions militars, de vehicles elèctrics i aeroespacials.Per exemple, les bateries d'ions de liti han substituït les bateries convencionals de plom-àcid que s'han utilitzat històricament per a carros de golf i vehicles utilitaris.

S'espera que la mida del mercat global de bateries d'ió de liti assoleixi els 46.210 milions de dòlars el 2022, amb un CAGR del 10,8% durant el període 2016-2022.

Per a alguna cosa que s'ha convertit en una part integral de la nostra vida quotidiana a un ritme tan ràpid, de fet, estaríem arriscant la nostra vida tenint aquestes piles al nostre voltant.

Donades les seves aplicacions, no són fàcilment substituïbles, però si es pogués resoldre el problema de la fuga tèrmica, l'equilibri es restabliria al paradís.

Com podem prevenir la fugida tèrmica Bateries d'ions de liti ?

1. Presentació d'un retardant de flama
La fuga tèrmica sovint es produeix per punxades i càrrega inadequada.Per contrarestar aquests riscos d'incendi, els inventors van utilitzar un fluid tèrmic que conté un retardant de flama.

Un retardant de flama és un compost que inhibeix, suprimeix o retarda la producció de flames o evita la propagació del foc.

Aquí tenen microencapsulat el retardant de flama (normalment un compost de brom) en polietilè d'alta densitat i s'hi han afegit aigua i un compost de glicol per preparar el fluid tèrmic utilitzat.El compost de glicol s'utilitza aquí com a "anticongelant" (els compostos de glicol comuns utilitzats són etilenglicol, dietilenglicol i propilenglicol).

A més, la invenció es parla principalment a la llum de les bateries EV.Una bateria quan es demana per alimentar un vehicle elèctric s'escalfa.El fluid tèrmic flueix pel recipient i sobre els mòduls de la bateria.

En cas d'una sobrecàrrega o un accident de cotxe que es tradueix en una punxada de la bateria, el retardant de flama del fluid tèrmic actua per reduir el risc d'incendi.Més precisament, les microcàpsules de compostos de brom es trenquen quan s'arriba a la temperatura de ruptura a causa de l'excés de calor del foc.El retardant de flama s'allibera de les microcàpsules i actua per controlar el foc.

2. Ús de dispositius d'iniciació de danys
Els Regents de la Universitat de Califòrnia sembla que estan força actius en la investigació de com fer front al problema de la fugida tèrmica.

L'any 2006, van presentar una patent relacionada amb electròlits de polímer d'alt mòdul elàstic adequats per prevenir la fugida tèrmica (US8703310).Un conjunt diferent d'inventors ha presentat aquesta patent (és a dir, US'535) el 2013, sobre la mitigació de la fugida tèrmica mitjançant materials o dispositius que causen danys.

Més precisament, han desenvolupat un mecanisme d'apagada tèrmica que es pot activar de manera mecànica o tèrmica (o ambdues), a mesura que es produeixen danys a la bateria (és a dir, abans o poc després que s'iniciï la fuga tèrmica) i s'ocupen del problema abans que pugui començar. .

Aquestes contramesures predictives o instantànies són especialment necessàries quan una bateria està sotmesa a un impacte o alta pressió (com un accident, com he esmentat també per a la patent anterior US'886) i la seva estructura interna es fa malbé, provocant un curtcircuit intern.

El principi bàsic sobre el qual funciona és que, a mesura que s'aplica una càrrega mecànica a la bateria, els iniciadors de danys poden provocar danys generalitzats o destrucció de l'elèctrode, de manera que la resistència interna augmenta significativament per mitigar la fugida tèrmica fins i tot abans que es produeixi.

Aquí han parlat de dos tipus d'iniciadors de danys –

Iniciadors de danys passius

Aquests iniciadors inicien esquerdes o buits als elèctrodes després de l'impacte, i aquestes esquerdes i/o buits augmenten la impedància interna de l'elèctrode i, per tant, redueixen la generació de calor associada a un possible curtcircuit intern.Aquests additius es coneixen com a iniciadors de fissures o buits (CVI).

Els danys de l'elèctrode poden ser causats per la desenganxament o la rigidesa de les interfícies d'elèctrode CVI, fractura i ruptura de CVI, etc. Alguns exemples d'additius passius inclouen partícules sòlides o poroses, fibres sòlides o buides/poroses, i tubs, etc. es pot formar a partir de materials de carboni com ara grafit, nanotubs de carboni, carbons actius, negres de carboni, etc.

Iniciador de danys actiu

Aquests iniciadors poden produir un canvi significatiu de volum o forma amb una càrrega mecànica o tèrmica.Els iniciadors de danys actius poden incloure partícules sòlides o poroses, perles sòlides o buides, fibres i tubs sòlids o buits/porosos, etc. Els iniciadors de danys actius es poden formar a partir d'aliatges amb memòria de forma com ara Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt, etc.

Els productes químics que s'alliberen durant fuga tèrmica pot ser tòxic i, en casos extrems, la fugida tèrmica pot provocar incendis elèctrics i/o l'explosió de les bateries.La temperatura de l'aire ambient a l'entorn de la bateria també s'ha de mantenir correctament.El control d'aquests factors redueix el potencial de fuga tèrmica .

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