Kako zaustaviti eksploziju litij-ionskih baterija zbog toplinskog bijega?

Toplinski bijeg je dugogodišnji problem koji muči velike korporacije poput Tesla , Samsung , i Boeing i male podjednako.

Boeingov Dreamliner 787, koji je Boeing reklamirao kao 20% učinkovit u potrošnji goriva, prizemljen je 2013. Iste godine, Teslin Model S je bio pod saveznom sigurnosnom istragom nakon što se najmanje 3 puta zapalio.Prošle godine Samsung je opozvao 2,5 milijuna pametnih telefona Galaxy Note 7.

Za sve tri tvrtke, koje su vrhunski igrači u svojoj domeni, problem je bio isti – litij-ionske baterije ugrađene u srce njihovog proizvoda kao izvor energije.Litij-ionske baterije ugrađene u Tesla Model S, Dreamliner 787 i Galaxy Note 7 neprestano su eksplodirale.

Zašto litij-ionska baterija neočekivano eksplodira?

Litij-ionske baterije najčešće su korištena vrsta baterija u nekoliko industrija, ali znate li što ih čini opasnima?Ako ste istraživač koji radi s litij-ionskim baterijama, znali biste da je jedan od glavnih razloga zašto većina litij-ionskih baterija eksplodira zbog toplinskog bijega.

Što je toplinski bijeg i zašto je vodeći uzrok eksplozija baterija?
U litij-ionskim baterijama, katoda i anoda odvojene su tankim polietilenskim separatorom - ponekad 10 mikrona.Kada ovaj separator pukne, dolazi do kratkog spoja koji inicira proces koji se naziva toplinski bijeg.

Toplinski bijeg obično se događa tijekom punjenja.Temperatura brzo raste do tališta metalnog litija i uzrokuje burnu reakciju.

Još jedan glavni razlog iza toplinskog bježanja su druge mikroskopske metalne čestice koje dolaze u dodir s različitim dijelovima baterije (to se događa cijelo vrijeme u procesu sastavljanja baterije), što dovodi do kratkog spoja.

Obično blagi kratki spoj može uzrokovati povećano samopražnjenje i stvara se malo topline jer je energija pražnjenja vrlo niska.Ali, kada se dovoljno mikroskopskih metalnih čestica skupi na jednom mjestu, može doći do velikog električnog spoja i znatna struja teći će između pozitivne i negativne ploče.

To uzrokuje porast temperature, što dovodi do toplinskog bježanja, što se također naziva "prozračivanje plamenom".

Tijekom toplinskog bježanja, visoka toplina ćelije koja je u kvaru može se proširiti na sljedeću ćeliju, uzrokujući da ona također postane termički nestabilna.U nekim slučajevima dolazi do lančane reakcije u kojoj se svaka stanica raspada prema vlastitom rasporedu.

Zašto je eksplozija litij-ionskih baterija glavni problem za sve?

Pametni telefon u vašem džepu pokreće a Li-Ion baterija .One su jedna od najpopularnijih vrsta punjivih baterija za prijenosnu elektroniku zbog svoje visoke gustoće energije, malog memorijskog učinka i niskog samopražnjenja.

Osim potrošačke elektronike, litij-ionske baterije popularne su za primjenu u vojsci, električnim vozilima i zrakoplovstvu.Na primjer, litij-ionske baterije zamijenile su konvencionalne olovne baterije koje su se kroz povijest koristile za kolica za golf i pomoćna vozila.

Očekuje se da će veličina globalnog tržišta litij-ionskih baterija dosegnuti 46,21 milijardu dolara do 2022., s CAGR-om od 10,8% tijekom razdoblja 2016.-2022.

Za nešto što je tako brzo postalo sastavni dio naše svakodnevice, doista bismo riskirali svoje živote s ovim baterijama oko sebe.

S obzirom na njihovu primjenu, nije ih lako zamijeniti, ali kad bi se problem toplinskog odlaska mogao riješiti, ravnoteža bi se uspostavila u raju.

Kako možemo spriječiti toplinski bijeg Litij-ionske baterije ?

1. Predstavljamo usporivač plamena
Do toplinskog odlaska često dolazi zbog probušivanja i nepravilnog punjenja.Kako bi spriječili takve opasnosti od požara, izumitelji su upotrijebili toplinsku tekućinu koja sadrži usporivač plamena.

Usporivač plamena je spoj koji inhibira, suzbija ili odgađa stvaranje plamena ili sprječava širenje vatre.

Ovdje su mikrokapsulirali usporivač plamena (obično spoj broma) u polietilen visoke gustoće i dodali su vodu i glikolni spoj za pripremu toplinske tekućine koja se koristi.Spoj glikola se ovdje koristi kao "antifriz" (uobičajeni spojevi glikola koji se koriste su etilen glikol, dietilen glikol i propilen glikol).

Također, o izumu se najviše govori u svjetlu EV baterija.Baterija se zagrijava kada je pozvana da napaja električno vozilo.Toplinska tekućina teče kroz spremnik i preko modula baterije.

U slučaju prekomjernog punjenja ili prometne nesreće koja rezultira probijanjem baterije, usporivač plamena u toplinskoj tekućini djeluje tako da smanjuje opasnost od požara.Točnije, mikrokapsule spoja broma pucaju kada se postigne temperatura pucanja zbog viška topline vatre.Usporivač plamena oslobađa se iz mikrokapsula i djeluje tako da požar stavi pod kontrolu.

2. Korištenje uređaja za iniciranje oštećenja
Čini se da su Regenti sa Sveučilišta u Kaliforniji prilično aktivni u istraživanju kako se nositi s problemom toplinskog bijega.

Godine 2006. podnijeli su patent koji se odnosi na polimerne elektrolite visokog modula elastičnosti prikladne za sprječavanje toplinskog bijega (US8703310).Druga skupina izumitelja podnijela je ovaj patent (tj. US'535) 2013. o ublažavanju toplinskog bježanja korištenjem materijala ili uređaja koji izazivaju oštećenja.

Preciznije, razvili su mehanizam za isključivanje toplinskog odlaska koji se može pokrenuti ili mehanički ili toplinski (ili oboje), kako dođe do oštećenja baterije (tj. prije ili ubrzo nakon početka toplinskog odstupanja) i riješiti problem prije nego što uopće počne .

Takve prediktivne ili trenutne protumjere posebno su potrebne kada je baterija izložena udaru ili visokom tlaku (poput nesreće kao što sam spomenuo i za prethodni patent US'886) i kada je njena unutarnja struktura oštećena, uzrokujući unutarnji kratki spoj.

Osnovno načelo na kojem radi je - kako se na bateriju primjenjuje mehaničko opterećenje, inicijatori oštećenja mogu izazvati široko oštećenje ili uništenje elektrode tako da se unutarnji otpor značajno povećava kako bi se ublažio toplinski bijeg čak i prije nego što se dogodi.

Ovdje su govorili o dvije vrste inicijatora štete –

Inicijatori pasivne štete

Ovi inicijatori pokreću pucanje ili praznine u elektrodama nakon udara, a takve pukotine i/ili praznine povećavaju unutarnju impedanciju elektrode i, na taj način, smanjuju stvaranje topline povezano s mogućim unutarnjim kratkim spojem.Takvi dodaci poznati su kao inicijatori pukotina ili šupljina (CVI).

Oštećenja elektrode mogu biti uzrokovana odvajanjem ili neusklađenošću krutosti sučelja CVI-elektroda, lomom i pucanjem CVI, itd. Primjeri pasivnih aditiva uključuju čvrste ili porozne čestice, čvrsta ili šuplja/porozna vlakna i cijevi itd. i oni može se formirati od ugljikovih materijala kao što su grafit, ugljikove nanocijevi, aktivni ugljen, čađa itd.

Aktivni inicijator oštećenja

Ovi inicijatori mogu proizvesti značajnu promjenu volumena ili oblika nakon mehaničkog ili toplinskog opterećenja.Inicijatori aktivnog oštećenja mogu uključivati ​​čvrste ili porozne čestice, čvrsta ili šuplja zrnca, čvrsta ili šuplja/porozna vlakna i cijevi, itd. Inicijatori aktivnog oštećenja mogu se formirati od legura s pamćenjem oblika kao što su Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt, itd.

Kemikalije koje se oslobađaju tijekom toplinski bijeg može biti otrovno, au ekstremnim slučajevima, toplinski bijeg može uzrokovati električni požar i/ili eksploziju baterija.Temperatura zraka u okruženju baterije također se mora pravilno održavati.Kontroliranje ovih čimbenika smanjuje mogućnost za toplinski bijeg .

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