Kuinka pysäyttää litiumioniakkujen räjähdys terminen karkaamisen vuoksi?

Lämpökarkaistuminen on pitkäaikainen ongelma, joka on häirinnyt suuria yrityksiä Tesla , Samsung , ja Boeing ja yhtä pieniä.

Boeingin Dreamliner 787, jonka Boeing mainosti 20 % polttoainetehokkaaksi, jäädytettiin vuonna 2013. Samana vuonna Teslan Model S joutui liittovaltion turvallisuustutkinnan piiriin, kun se syttyi tuleen vähintään kolme kertaa.Viime vuonna Samsung veti takaisin 2,5 miljoonaa Galaxy Note 7 -älypuhelinta.

Kaikilla kolmella yrityksellä, jotka ovat alansa huipputoimijoita, ongelma oli sama – litiumioniakut asennettiin heidän tuotteensa sydämeen virtalähteenä.Tesla Model S:ään, Dreamliner 787:ään ja Galaxy Note 7:ään asennetut litiumioniakut räjähtivät jatkuvasti.

Miksi litiumioniakku räjähtää odottamatta?

Litiumioniakut ovat useimpien teollisuudenalojen eniten käytetty akkutyyppi, mutta tiedätkö, mikä tekee niistä vaarallisia?Jos olet Li-ion-akkujen parissa työskentelevä tutkija, tiedät, että yksi tärkeimmistä syistä, miksi suurin osa litiumioniakuista räjähtää, johtuu lämmön karkaamisesta.

Mikä on Thermal Runaway ja miksi se on akun räjähdyksen johtava syy?
Litiumioniakuissa katodi ja anodi erotetaan ohuella – joskus 10 mikronin – polyeteenierottimella.Kun tämä erotin murtuu, tapahtuu oikosulku, joka käynnistää prosessin, jota kutsutaan termiseksi karkaamiseksi.

Lämpökarkaaminen tapahtuu yleensä latauksen aikana.Lämpötila nousee nopeasti metallisen litiumin sulamispisteeseen ja aiheuttaa voimakkaan reaktion.

Toinen suuri syy lämmön karkaamiseen on muut mikroskooppiset metallihiukkaset, jotka joutuvat kosketuksiin akun eri osien kanssa (tätä tapahtuu koko ajan akun kokoonpanoprosessin aikana), mikä johtaa oikosulkuun.

Yleensä lievä oikosulku voi aiheuttaa kohonneen itsepurkauksen ja lämpöä syntyy vain vähän, koska purkausenergia on hyvin alhainen.Mutta kun tarpeeksi mikroskooppisia metallihiukkasia konvergoi yhteen kohtaan, voi syntyä suuri sähköinen oikosulku ja huomattava virta kulkee positiivisten ja negatiivisten levyjen välillä.

Tämä saa lämpötilan kohoamaan, mikä johtaa termiseen karkaamiseen, jota kutsutaan myös "liekin avulla tapahtuvaksi tuuletukseksi".

Lämpökarkaamisen aikana viallisen kennon korkea lämpö voi levitä seuraavaan kennoon, jolloin se muuttuu myös termisesti epästabiiliksi.Joissakin tapauksissa tapahtuu ketjureaktio, jossa jokainen solu hajoaa omassa aikataulussaan.

Miksi Li-Ion-akkujen räjähdys on suuri ongelma kaikille?

Taskussasi oleva älypuhelin saa virtansa a Li-Ion akku .Ne ovat yksi suosituimmista kannettavan elektroniikan ladattavista paristotyypeistä korkean energiatiheyden, pienen muistiefektinsä ja alhaisen itsepurkautumisensa vuoksi.

Kulutuselektroniikan lisäksi litiumioniakut ovat suosittuja sotilas-, sähköajoneuvojen ja ilmailusovelluksissa.Esimerkiksi litiumioniakut ovat korvanneet perinteiset lyijyakut, joita on historiallisesti käytetty golfkärryissä ja hyötyajoneuvoissa.

Maailman litiumioniakkumarkkinoiden koon odotetaan saavuttavan 46,21 miljardia dollaria vuoteen 2022 mennessä, ja CAGR:n olevan 10,8 % vuosina 2016–2022.

Jotain, josta on tullut kiinteä osa jokapäiväistä elämäämme näin nopeaan tahtiin, vaarantaisimme henkemme, jos nämä akut ovat ympärillämme.

Niiden sovellukset huomioon ottaen ne eivät ole helposti vaihdettavissa, mutta jos lämpökarkaistu ongelma voitaisiin ratkaista, tasapaino palautuisi paratiisiin.

Kuinka voimme estää lämpökarkaamisen Litiumioniakut ?

1. Esittelyssä palonestoaine
Lämpökarkaaminen johtuu usein puhkeamisesta ja väärästä latauksesta.Tällaisten tulipalovaarojen torjumiseksi keksijät käyttivät lämpönestettä, joka sisältää palonestoainetta.

Palonestoaine on yhdiste, joka estää, tukahduttaa tai viivyttää liekkien muodostumista tai estää tulen leviämisen.

Täällä he ovat mikrokapseloineet palonestoaineen (yleensä bromiyhdisteen) korkeatiheyksiseen polyeteeniin ja lisänneet vettä ja glykoliyhdistettä käytettävän lämpönesteen valmistamiseksi.Glykoliyhdistettä käytetään tässä "jäätymisenestoaineena" (yleisiä käytettyjä glykoliyhdisteitä ovat etyleeniglykoli, dietyleeniglykoli ja propyleeniglykoli).

Keksintöä käsitellään myös enimmäkseen EV-akkujen valossa.Akku lämpenee, kun sitä kutsutaan sähköajoneuvoon.Lämpöneste virtaa säiliön läpi ja akun moduulien yli.

Ylilatauksessa tai auto-onnettomuudessa, joka johtaa akun puhkeamiseen, lämpönesteen palonestoaine vähentää palovaaraa.Tarkemmin sanottuna bromiyhdistemikrokapselit rikkoutuvat, kun repeämislämpötila saavutetaan tulen ylimääräisen lämmön vuoksi.Palonsuoja-aine vapautuu mikrokapseleista ja se saa tulen hallintaan.

2. Vahinkoa aiheuttavien laitteiden käyttö
Kalifornian yliopiston johtajat näyttävät olevan melko aktiivisesti tutkimassa, kuinka käsitellä lämpökarkaistua ongelmaa.

Vuonna 2006 he hakivat patentin koskien korkean kimmomoduulin polymeerielektrolyyttejä, jotka soveltuvat lämpökarkaamisen estämiseen (US8703310).Erilainen joukko keksijöitä on jättänyt tämän patentin (esim. US'535) vuonna 2013 koskien lämpökarkaamisen lieventämistä vaurioita aiheuttavilla materiaaleilla tai laitteilla.

Tarkemmin sanottuna he ovat kehittäneet lämpösammutusmekanismin, joka voidaan laukaista joko mekaanisesti tai termisesti (tai molemmilla) akkuvaurion sattuessa (eli ennen tai pian sen jälkeen) ja hoitavat ongelman ennen kuin se voi edes alkaa. .

Tällaisia ​​ennakoivia tai välittömiä vastatoimia tarvitaan erityisesti silloin, kun akkuun kohdistuu isku tai korkea paine (kuten onnettomuus, kuten mainitsin myös edellisessä patentissa US'886) ja sen sisäinen rakenne vaurioituu aiheuttaen sisäisen oikosulun.

Perusperiaate, jonka mukaan se toimii, on – kun akkuun kohdistuu mekaanista kuormitusta, vaurioiden aiheuttajat voivat laukaista laajan vaurion tai elektrodin tuhoutumisen, jolloin sisäinen vastus kasvaa merkittävästi lämmön karkaamisen vähentämiseksi jo ennen kuin se voi tapahtua.

Täällä on puhuttu kahdesta vahingon aiheuttajasta –

Passiiviset vahingon aiheuttajat

Nämä initiaattorit aiheuttavat elektrodien halkeilua tai tyhjenemistä törmäyksen seurauksena, ja tällaiset halkeamat ja/tai ontelot lisäävät elektrodin sisäistä impedanssia ja vähentävät siten lämmön muodostumista, joka liittyy mahdolliseen sisäiseen oikosulkuun.Tällaisia ​​lisäaineita kutsutaan halkeamien tai tyhjien tilojen initiaattoreiksi (CVI).

Elektrodivauriot voivat johtua CVI-elektrodirajapintojen irtoamisesta tai jäykkyyden epäsovittamisesta, murtumisesta ja CVI:n repeämisestä jne. Esimerkkejä passiivisista lisäaineista ovat kiinteät tai huokoiset hiukkaset, kiinteät tai ontot/huokoiset kuidut ja putket jne. voidaan muodostaa hiilimateriaaleista, kuten grafiitista, hiilinanoputkista, aktiivihiilestä, hiilimustista jne.

Aktiivinen vaurion aiheuttaja

Nämä initiaattorit voivat aiheuttaa merkittävän tilavuuden tai muodon muutoksen mekaanisessa tai lämpökuormituksessa.Aktiiviset vaurioalkaisijat voivat sisältää kiinteitä tai huokoisia hiukkasia, kiinteitä tai onttoja helmiä, kiinteitä tai onttoja/huokoisia kuituja ja putkia jne. Aktiivisia vaurioinitiaattoreita voidaan muodostaa muotomuistiseoksista, kuten Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni -Ti-Pt jne.

Kemikaalit, jotka vapautuvat aikana lämpö karkaa voi olla myrkyllistä ja äärimmäisissä tapauksissa lämpökarkailu voi aiheuttaa sähköpalot ja/tai akkujen räjähtämisen.Myös akkuympäristön ilman lämpötilaa on ylläpidettävä asianmukaisesti.Näiden tekijöiden hallinta vähentää mahdollisuutta lämpö karkaa .

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