Hogyan lehet megállítani a lítium-ion akkumulátorok felrobbanását a termikus kifutás miatt?

A termikus elszabadulás egy régóta fennálló probléma, amely megzavarta a nagyvállalatokat Tesla , Samsung , és Boeing és kicsiben egyaránt.

A Boeing Dreamliner 787-esét, amelyet a Boeing 20%-os üzemanyag-hatékonynak hirdetett, 2013-ban leállították. Ugyanebben az évben a Tesla Model S szövetségi biztonsági vizsgálat alá került, miután legalább háromszor kigyulladt.Tavaly a Samsung 2,5 millió Galaxy Note 7 okostelefont hívott vissza.

Mindhárom cégnél, amelyek a saját területükön vezető szereplők, ugyanaz volt a probléma – a lítium-ion akkumulátorokat a termékük szívébe szerelték áramforrásként.A Tesla Model S-be, a Dreamliner 787-be és a Galaxy Note 7-be beépített lítium-ion akkumulátorok folyamatosan felrobbantak.

Miért robban fel váratlanul a lítium-ion akkumulátor?

A lítium-ion akkumulátorok a leggyakrabban használt akkumulátortípusok számos iparágban, de tudja, mi teszi őket veszélyessé?Ha Ön Li-ion akkumulátorokkal foglalkozó kutató, akkor tudja, hogy a lítium-ion akkumulátorok többségének felrobbanásának egyik fő oka a hőkiesés.

Mi az a termikus szökés, és miért ez az akkumulátorrobbanások fő oka?
A lítium-ion akkumulátorokban a katódot és az anódot vékony – esetenként 10 mikronos – polietilén szeparátor választja el.Amikor ez a szeparátor elszakad, rövidzárlat következik be, ami elindítja a termikus kifutásnak nevezett folyamatot.

A hőkiesés általában töltés közben történik.A hőmérséklet gyorsan a fémes lítium olvadáspontjára emelkedik, és heves reakciót vált ki.

A hőkifutás másik fő oka az, hogy más mikroszkopikus fémrészecskék érintkeznek az akkumulátor különböző részeivel (ez az akkumulátor összeszerelési folyamata során mindig megtörténik), ami rövidzárlatot eredményez.

Általában egy enyhe rövidzárlat megnövekedett önkisülést okozhat, és kevés hő keletkezik, mivel a kisütési energia nagyon alacsony.De ha elegendő mikroszkopikus fémrészecske konvergál egy helyen, nagy elektromos rövidzárlat alakulhat ki, és jelentős áram folyik a pozitív és negatív lemezek között.

Ez a hőmérséklet emelkedését okozza, ami hőkitöréshez vezet, amit "lánggal való szellőztetésnek" is szoktak nevezni.

A termikus menekülés során a meghibásodott cella nagy hője továbbterjedhet a következő cellára, ami termikusan is instabillá válik.Egyes esetekben láncreakció lép fel, amelyben minden sejt a saját ütemezése szerint szétesik.

Miért jelent mindenki számára komoly problémát a Li-Ion akkumulátorok felrobbanása?

A zsebében lévő okostelefont a Li-Ion akkumulátor .Nagy energiasűrűségük, apró memóriaeffektusuk és alacsony önkisülésük miatt az egyik legnépszerűbb újratölthető akkumulátortípus a hordozható elektronikához.

A fogyasztói elektronikán túl a lítium-ion akkumulátorok népszerűek katonai, elektromos járművek és űrhajózási alkalmazásokban.Például a lítium-ion akkumulátorok felváltották a hagyományos ólom-savas akkumulátorokat, amelyeket történelmileg golfkocsikban és haszonjárművekben használtak.

A lítium-ion akkumulátorok globális piaca 2022-re várhatóan eléri a 46,21 milliárd dollárt, a 2016-2022 közötti időszakban pedig 10,8%-os CAGR-értékkel.

Valamiért, ami ilyen gyors ütemben mindennapi életünk szerves részévé vált, valóban az életünket kockáztatnánk, ha ezek az akkumulátorok körülöttünk vannak.

Alkalmazásukból adódóan nem könnyen cserélhetők, de ha megoldható lenne a termikus kifutási probléma, az egyensúly helyreállna a paradicsomban.

Hogyan akadályozhatjuk meg a termikus beszökést Lítium-ion akkumulátorok ?

1. Az égésgátló anyag bemutatása
A hőkiütés gyakran előfordul defektek és nem megfelelő töltés miatt.Az ilyen tűzveszélyek kivédésére a feltalálók hőfolyadékot használtak, amely égésgátlót tartalmaz.

Az égésgátló olyan vegyület, amely gátolja, elnyomja vagy késlelteti a lángok keletkezését vagy megakadályozza a tűz terjedését.

Itt mikrokapszulázzák az égésgátlót (általában brómvegyületet) nagy sűrűségű polietilénbe, és vizet és glikolvegyületet adnak hozzá a felhasznált hőfolyadék előállításához.A glikolvegyületet itt „fagyállóként” használják (gyakori glikolvegyületek az etilénglikol, a dietilénglikol és a propilénglikol).

Ezenkívül a találmányt többnyire az elektromos járművek akkumulátoraival kapcsolatban tárgyalják.Az akkumulátor felmelegszik, ha elektromos jármű működtetésére hívják.A hőfolyadék átfolyik a tartályon és az akkumulátor moduljain.

Túltöltés vagy akkumulátor defektet okozó autóbaleset esetén a hőfolyadékban lévő égésgátló csökkenti a tűzveszélyt.Pontosabban, a brómvegyület mikrokapszulák felszakadnak, amikor a felszakadási hőmérsékletet elérik a tűz túlzott hője miatt.Az égésgátló anyag felszabadul a mikrokapszulákból, és úgy működik, hogy megfékezi a tüzet.

2. Sérülést okozó eszközök használata
Úgy tűnik, hogy a Kaliforniai Egyetem régensei meglehetősen aktívan kutatják, hogyan kezeljék a termikus szökés problémáját.

2006-ban szabadalmat nyújtottak be nagy rugalmassági modulusú polimer elektrolitokkal kapcsolatban, amelyek alkalmasak a hőkifutás megelőzésére (US8703310).A feltalálók egy másik csoportja nyújtotta be ezt a szabadalmat (azaz US'535-öt) 2013-ban, amely a hőkitörések kárt okozó anyagok vagy eszközök segítségével történő csökkentéséről szól.

Pontosabban, kifejlesztettek egy termikus leállási mechanizmust, amely mechanikusan vagy termikusan (vagy mindkettőn) aktiválható, amikor az akkumulátor megsérül (azaz a hőkezelés megkezdése előtt vagy röviddel utána), és megoldják a problémát, mielőtt az elkezdődhetne. .

Az ilyen előrejelző vagy azonnali ellenintézkedésekre különösen akkor van szükség, ha az akkumulátort ütközésnek vagy nagy nyomásnak teszik ki (mint például egy baleset, ahogyan azt az előző US'886 szabadalomnál is említettem), és a belső szerkezete megsérül, ami belső rövidzárlatot okoz.

Működésének alapelve: mivel mechanikai terhelés éri az akkumulátort, a károsodást előidézők az elektróda széles körű károsodását vagy tönkremenetelét idézhetik elő, így a belső ellenállás jelentősen megnő, hogy csökkentse a hőkifutást, még mielőtt az megtörténhetne.

Itt kétféle kárindítóról beszéltek –

Passzív sebzés kezdeményezői

Ezek az iniciátorok az elektródákban repedést vagy kiürülést okoznak ütközéskor, és az ilyen repedések és/vagy üregek növelik az elektróda belső impedanciáját, és így csökkentik az esetleges belső rövidzárlathoz kapcsolódó hőképződést.Az ilyen adalékokat repedés- vagy üreges iniciátoroknak (CVI-k) nevezik.

Az elektródák károsodását okozhatja a CVI-elektróda interfészeinek leválása vagy merevségének eltérése, a CVI törése és szakadása stb. A passzív adalékok közé tartoznak például a szilárd vagy porózus részecskék, szilárd vagy üreges/porózus szálak, csövek stb. szén anyagokból, például grafitból, szén nanocsövekből, aktív szénből, koromból stb.

Aktív kár iniciátor

Ezek az iniciátorok jelentős térfogat- vagy alakváltozást idézhetnek elő mechanikai vagy termikus terhelés hatására.Az aktív károsodási iniciátorok lehetnek szilárd vagy porózus részecskék, szilárd vagy üreges gyöngyök, szilárd vagy üreges/porózus szálak és csövek stb. Az aktív károsodási iniciátorok alakmemóriás ötvözetekből, például Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt stb.

A közben felszabaduló vegyszerek termikus szökés mérgező lehet, és szélsőséges esetekben a hőkitörés elektromos tüzet és/vagy az akkumulátorok felrobbanását okozhatja.Az akkumulátor környezetében a környezeti levegő hőmérsékletét is megfelelően fenn kell tartani.Ezen tényezők szabályozása csökkenti annak lehetőségét termikus szökés .

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