Hoe te voorkomen dat lithium-ionbatterijen exploderen als gevolg van thermische runaway?

Thermal runaway is een al lang bestaand probleem dat grote bedrijven heeft afgeluisterd Tesla , Samsung , en Boeing en klein gelijk.

Boeing's Dreamliner 787, die door Boeing werd geadverteerd als 20% brandstofzuinig, werd in 2013 aan de grond gehouden. In hetzelfde jaar kwam Tesla's Model S onder een federaal veiligheidsonderzoek nadat het minstens 3 keer in brand vloog.Vorig jaar riep Samsung 2,5 miljoen Galaxy Note 7-smartphones terug.

Voor alle drie de bedrijven, die topspelers zijn in hun domein, was het probleem hetzelfde: de lithium-ionbatterijen die als stroombron in het hart van hun product waren geïnstalleerd.De lithium-ionbatterijen die in Tesla Model S, Dreamliner 787 en Galaxy Note 7 waren geïnstalleerd, explodeerden voortdurend.

Waarom ontploft een lithium-ionbatterij onverwachts?

Lithium-ionbatterijen zijn het meest gebruikte type batterijen in verschillende industrieën, maar weet u wat ze gevaarlijk maakt?Als je een onderzoeker bent die met Li-ion-batterijen werkt, zou je weten dat een van de belangrijkste redenen waarom de meeste lithium-ion-batterijen ontploffen, het gevolg is van oververhitting.

Wat is Thermal Runaway en waarom is het de belangrijkste oorzaak van batterij-explosies?
In lithium-ionbatterijen worden kathode en anode gescheiden door een dunne polyethyleenscheider van soms wel 10 micron.Wanneer deze separator scheurt, treedt er kortsluiting op die het proces initieert dat thermische runaway wordt genoemd.

Thermal runaway gebeurt meestal tijdens het opladen.De temperatuur stijgt snel tot het smeltpunt van het metallische lithium en veroorzaakt een heftige reactie.

Een andere belangrijke reden voor thermische runaway zijn andere microscopische metaaldeeltjes die in contact komen met verschillende delen van de batterij (dit gebeurt de hele tijd tijdens het assemblageproces van de batterij), wat resulteert in kortsluiting.

Gewoonlijk kan een milde kortsluiting een verhoogde zelfontlading veroorzaken en wordt er weinig warmte gegenereerd omdat de ontladingsenergie erg laag is.Maar wanneer genoeg microscopische metaaldeeltjes op één plek samenkomen, kan er een grote elektrische kortsluiting ontstaan ​​en zal er een aanzienlijke stroom vloeien tussen de positieve en negatieve platen.

Hierdoor stijgt de temperatuur en ontstaat er een thermal runaway, ook wel 'ontluchten met vlammen' genoemd.

Tijdens een thermische runaway kan de hoge hitte van de falende cel zich voortplanten naar de volgende cel, waardoor deze ook thermisch onstabiel wordt.In sommige gevallen treedt er een kettingreactie op waarbij elke cel op zijn eigen tijdschema uiteenvalt.

Waarom is explosie van Li-Ion-batterijen een groot probleem voor iedereen?

De smartphone in je zak wordt aangedreven door een Li-ion batterij .Ze zijn een van de meest populaire soorten oplaadbare batterijen voor draagbare elektronica vanwege hun hoge energiedichtheid, klein geheugeneffect en lage zelfontlading.

Naast consumentenelektronica zijn lithium-ionbatterijen populair voor militaire, elektrische voertuigen en ruimtevaarttoepassingen.Lithium-ionbatterijen hebben bijvoorbeeld de conventionele loodzuurbatterijen vervangen die van oudsher werden gebruikt voor golfkarretjes en bedrijfsvoertuigen.

De wereldwijde omvang van de markt voor lithium-ionbatterijen zal naar verwachting in 2022 $ 46,21 miljard bedragen, met een CAGR van 10,8% in de periode 2016-2022.

Voor iets dat in zo'n snel tempo een integraal onderdeel van ons dagelijks leven is geworden, zouden we inderdaad ons leven riskeren met deze batterijen om ons heen.

Gezien hun toepassingen zijn ze niet gemakkelijk te vervangen, maar als het thermische wegloperprobleem zou kunnen worden opgelost, zou het evenwicht in het paradijs worden hersteld.

Hoe kunnen we Thermal Runaway In Lithium-ion batterijen ?

1. Introductie van een vlamvertrager
Thermische runaway komt vaak voor door lekke banden en onjuist opladen.Om dergelijke brandgevaar tegen te gaan, gebruikten de uitvinders een thermische vloeistof die een vlamvertrager bevat.

Een vlamvertrager is een verbinding die de productie van vlammen remt, onderdrukt of vertraagt ​​of de verspreiding van vuur voorkomt.

Hier hebben ze de vlamvertrager (meestal een broomverbinding) micro-ingekapseld in polyethyleen met hoge dichtheid en water en een glycolverbinding toegevoegd om de gebruikte thermische vloeistof te bereiden.De glycolverbinding wordt hier gebruikt als "antivries" (veelgebruikte glycolverbindingen zijn ethyleenglycol, diethyleenglycol en propyleenglycol).

Ook wordt de uitvinding meestal besproken in het licht van EV-batterijen.Een batterij warmt op wanneer deze wordt gebruikt om een ​​elektrisch voertuig van stroom te voorzien.Thermische vloeistof stroomt door de container en over de modules van de batterij.

In het geval van overladen of een auto-ongeluk met een lekke batterij, werkt de vlamvertrager in de thermische vloeistof om het brandgevaar te verminderen.Nauwkeuriger gezegd, microcapsules met broomverbindingen breken wanneer de breuktemperatuur wordt bereikt vanwege overmatige hitte van het vuur.De vlamvertrager komt vrij uit de microcapsules en werkt om het vuur onder controle te krijgen.

2. Schade-initiërende apparaten gebruiken
De Regenten van de Universiteit van Californië lijken behoorlijk actief te zijn in het onderzoeken hoe om te gaan met het thermisch weggelopen probleem.

In 2006 dienden ze een patent in met betrekking tot polymeerelektrolyten met een hoge elasticiteitsmodulus die geschikt zijn om thermische runaway te voorkomen (US8703310).Een andere groep uitvinders heeft dit patent in 2013 ingediend (dwz US'535), over het verminderen van thermische uitbarsting met behulp van schade-initiërende materialen of apparaten.

Nauwkeuriger gezegd, ze hebben een thermisch uitschakelmechanisme ontwikkeld dat mechanisch of thermisch (of beide) kan worden geactiveerd wanneer de batterij beschadigd raakt (dwz voordat of kort nadat de thermische uitschakeling begint) en het probleem oplossen voordat het zelfs maar kan beginnen. .

Dergelijke voorspellende of onmiddellijke tegenmaatregelen zijn vooral nodig wanneer een batterij wordt blootgesteld aan schokken of hoge druk (zoals een ongeluk, zoals ik ook vermeldde voor het vorige patent US'886) en de interne structuur beschadigd raakt, waardoor interne kortsluiting ontstaat.

Het basisprincipe waarop het werkt is: als een mechanische belasting wordt uitgeoefend op de batterij, kunnen schade-initiators wijdverspreide schade of vernietiging van de elektrode veroorzaken, zodat de interne weerstand aanzienlijk toeneemt om thermische oververhitting te verminderen, nog voordat dit kan gebeuren.

Hier hebben ze het gehad over twee soorten schade-initiators –

Passieve schade-initiators

Deze initiatoren veroorzaken barsten of holtes in elektroden bij impact, en dergelijke scheuren en/of holtes verhogen de interne impedantie van de elektrode en verminderen dus de warmteontwikkeling die gepaard gaat met mogelijke interne kortsluiting.Dergelijke additieven staan ​​bekend als cracks or voids initiators (CVI's).

De elektrodebeschadiging kan worden veroorzaakt door onthechting of stijfheidsmismatch van CVI-elektrode-interfaces, breuk en breuk van CVI, enz. Voorbeelden van passieve additieven zijn vaste of poreuze deeltjes, vaste of holle/poreuze vezels en buizen, enz. en ze kan worden gevormd uit koolstofmaterialen zoals grafiet, koolstofnanobuisjes, actieve kool, roet, enz.

Actieve schade-initiator

Deze initiatoren kunnen een aanzienlijke volume- of vormverandering veroorzaken bij mechanische of thermische belasting.Actieve schade-initiators kunnen vaste of poreuze deeltjes, massieve of holle kralen, vaste of holle/poreuze vezels en buizen, enz. Zijn. Actieve schade-initiators kunnen worden gevormd uit legeringen met vormgeheugen zoals Ni-Ti, Ni-Ti-Pd, Ni —Ti—Pt, enz.

De chemicaliën die daarbij vrijkomen thermische ontsnapping kan giftig zijn en in extreme gevallen kan oververhitting leiden tot elektrische branden en/of ontploffing van batterijen.De omgevingsluchttemperatuur in de batterijomgeving moet ook goed worden gehandhaafd.Het beheersen van deze factoren vermindert de kans op thermische ontsnapping .

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