熱暴走によるリチウムイオン電池の爆発を防ぐには?

熱暴走は、次のような大企業を悩ませている長年の問題です。 テスラ 、 サムスン 、 そして ボーイング そして同じように小さい。

ボーイングが燃料効率20％を宣伝していたドリームライナー787は2013年に運航停止となった。同年、テスラのモデルSは少なくとも3回火災を起こし、連邦政府の安全性調査の対象となった。昨年サムスンはスマートフォン「ギャラクシーノート７」２５０万台をリコールした。

この分野のトッププレーヤーである 3 社すべてにとって、問題は同じでした。つまり、電源として製品の心臓部にリチウムイオン電池が搭載されていたということです。テスラ モデル S、ドリームライナー 787、ギャラクシー ノート 7 に搭載されているリチウムイオン電池が爆発を続けていました。

リチウムイオン電池が予期せず爆発するのはなぜですか?

リチウムイオン電池は、さまざまな業界で最もよく使用されているタイプの電池ですが、何が危険なのか知っていますか?リチウムイオン電池を扱う研究者であれば、ほとんどのリチウムイオン電池が爆発する主な理由の 1 つは熱暴走であることをご存知でしょう。

熱暴走とは何ですか?なぜバッテリー爆発の主な原因になるのですか?
リチウムイオン電池では、カソードとアノードは薄い (場合によっては 10 ミクロンの) ポリエチレン セパレータによって分離されています。このセパレータが破裂すると、短絡が発生し、熱暴走と呼ばれるプロセスが開始されます。

熱暴走は通常、充電中に発生します。温度は金属リチウムの融点まで急速に上昇し、激しい反応を引き起こします。

熱暴走のもう 1 つの主な理由は、他の微細な金属粒子がバッテリーのさまざまな部分に接触し (これはバッテリーの組み立てプロセスで常に発生します)、短絡を引き起こすことです。

通常、軽度の短絡は自己放電の増加を引き起こす可能性があり、放電エネルギーが非常に低いため、熱はほとんど発生しません。しかし、十分な量の微細な金属粒子が一箇所に集まると、重大な電気的短絡が発生し、正極板と負極板の間にかなりの電流が流れる可能性があります。

これにより温度が上昇し、「炎による排気」とも呼ばれる熱暴走が発生します。

熱暴走中は、故障したセルの高熱が次のセルに伝播し、熱的にも不安定になる可能性があります。場合によっては、各細胞が独自のタイミングで崩壊する連鎖反応が発生します。

リチウムイオン電池の爆発がすべての人にとって大きな問題となるのはなぜですか?

ポケットの中にあるスマートフォンには電力が供給されています。 リチウムイオン電池 。これらは、エネルギー密度が高く、メモリー効果が小さく、自己放電が少ないため、ポータブル電子機器用の充電式バッテリーの中で最も人気のあるタイプの 1 つです。

リチウムイオン電池は、家庭用電化製品以外にも、軍事、電気自動車、航空宇宙用途で人気があります。たとえば、リチウムイオン電池は、歴史的にゴルフカートや多用途車に使用されてきた従来の鉛酸電池に取って代わりました。

世界のリチウムイオン電池市場規模は、2016年から2022年までのCAGRが10.8%で、2022年までに462億1000万ドルに達すると予想されています。

これほど急速に私たちの日常生活に欠かせないものとなっているこの電池が身の回りにあると、私たちはまさに命を危険にさらすことになるでしょう。

用途を考えると、簡単に交換できるものではありませんが、熱暴走の問題が解決できれば、バランスは楽園に戻ります。

熱暴走をどう防ぐか リチウムイオン電池 ?

1. 難燃剤の導入
熱暴走は、パンクや不適切な充電によって発生することがよくあります。このような火災の危険に対処するために、発明者らは、難燃剤を含む熱流体を使用した。

難燃剤は、炎の発生を抑制、抑制、遅延させたり、火災の延焼を防止したりする化合物です。

ここでは、難燃剤（通常は臭素化合物）を高密度ポリエチレンにマイクロカプセル化し、水とグリコール化合物を加えて熱流体を調製しています。ここではグリコール化合物を「不凍液」として使用します（一般的に使用されるグリコール化合物はエチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコールです）。

また、本発明は主にＥＶバッテリに照らして説明される。電気自動車に電力を供給する必要があると、バッテリーが発熱します。熱流体はコンテナを通ってバッテリーのモジュール上を流れます。

過充電や自動車事故でバッテリーに穴が開いた場合、熱流体中の難燃剤が火災の危険を軽減します。より正確には、臭素化合物のマイクロカプセルは、火災の過剰な熱により破裂温度に達すると破裂します。難燃剤がマイクロカプセルから放出され、火災を鎮火する働きをします。

2. 損傷を引き起こすデバイスの使用
カリフォルニア大学のリージェントは、熱暴走問題への対処方法の研究にかなり積極的に取り組んでいるようです。

2006年、熱暴走防止に適した高弾性率ポリマー電解質に関する特許を出願した（US8703310）。別の発明者らは、損傷を引き起こす材料やデバイスを使用した熱暴走の軽減に関するこの特許 (つまり、米国特許第 535 号) を 2013 年に出願しました。

より正確には、バッテリーの損傷が発生したとき（つまり、熱暴走が始まる前または直後）に機械的または熱的（またはその両方）にトリガーできる熱暴走シャットダウンメカニズムを開発し、問題が始まる前に対処します。 。

このような予測的または即時的な対策は、バッテリーが衝撃や高圧にさらされ（以前の米国特許第 886 号でも述べた事故のような）、その内部構造が損傷して内部短絡を引き起こした場合に特に必要となります。

この動作の基本原理は、バッテリーに機械的負荷がかかると、損傷開始剤が電極の広範な損傷や破壊を引き起こす可能性があるため、熱暴走が起こる前に内部抵抗が大幅に増加して熱暴走を軽減するというものです。

ここで彼らは 2 つのタイプのダメージイニシエーターについて話しました。 –

受動的ダメージイニシエーター

これらの開始剤は、衝撃により電極に亀裂または空隙を生じさせ、そのような亀裂および／または空隙は電極の内部インピーダンスを増加させ、したがって内部短絡の可能性に関連する発熱を減少させる。このような添加剤は、亀裂または空隙開始剤 (CVI) として知られています。

電極の損傷は、CVI 電極界面の剥離や剛性の不一致、CVI の破損、破断などによって引き起こされる可能性があります。不動態添加剤の例には、固体または多孔質の粒子、固体または中空/多孔質の繊維、チューブなどが含まれます。グラファイト、カーボンナノチューブ、活性炭、カーボンブラックなどの炭素材料から形成できます。

アクティブダメージイニシエーター

これらの開始剤は、機械的または熱的負荷がかかると、体積や形状に大きな変化を引き起こす可能性があります。活性損傷開始剤には、固体または多孔質の粒子、固体または中空のビーズ、固体または中空/多孔質の繊維およびチューブなどが含まれます。活性損傷開始剤は、Ni-Ti、Ni-Ti-Pd、Ni などの形状記憶合金から形成できます。 -Ti-Ptなど

その際に放出される化学物質は、 熱暴走 有毒である可能性があり、極端な場合には熱暴走により電気火災やバッテリーの爆発を引き起こす可能性があります。バッテリー環境の周囲温度も適切に維持する必要があります。これらの要因を制御することで、次のような可能性が低減されます。 熱暴走 。

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