Hur man stoppar litiumjonbatteriers explosion på grund av termisk runaway?

Thermal runaway är ett långvarigt problem som har stört stora företag som Tesla , Samsung , och Boeing och lika små.

Boeings Dreamliner 787, som Boeing annonserade som 20 % bränsleeffektiv, sattes i drift 2013. Samma år gick Teslas Model S under en federal säkerhetsutredning efter att den fattat eld minst 3 gånger.Förra året återkallade Samsung 2,5 miljoner Galaxy Note 7-smarttelefoner.

För alla de tre företagen, som är toppspelare på sin domän, var problemet detsamma – litiumjonbatterierna installerade i hjärtat av deras produkt som strömkälla.Litiumjonbatterierna installerade i Tesla Model S, Dreamliner 787 och Galaxy Note 7 exploderade kontinuerligt.

Varför exploderar ett litiumjonbatteri oväntat?

Litiumjonbatterier är den mest använda typen av batterier inom flera branscher, men vet du vad som gör dem farliga?Om du är en forskare som arbetar med litiumjonbatterier, skulle du veta att en av huvudorsakerna till att de flesta litiumjonbatterier exploderar är på grund av termisk flykt.

Vad är Thermal Runaway och varför är det den främsta orsaken till batteriexplosioner?
I litiumjonbatterier separeras katod och anod av en tunn – ibland 10 mikron – polyetenseparator.När denna separator går sönder sker en kortslutning som initierar processen som kallas termisk runaway.

Termisk rusning sker vanligtvis under laddning.Temperaturen stiger snabbt till smältpunkten för det metalliska litiumet och orsakar en våldsam reaktion.

En annan viktig orsak bakom termisk flykt är att andra mikroskopiska metallpartiklar kommer i kontakt med olika delar av batteriet (detta händer hela tiden i batterimonteringsprocessen), vilket resulterar i en kortslutning.

Vanligtvis kan en mild kortslutning orsaka en förhöjd självurladdning och lite värme genereras eftersom urladdningsenergin är mycket låg.Men när tillräckligt många mikroskopiska metallpartiklar konvergerar på en plats, kan en stor elektrisk kortslutning utvecklas och en ansenlig ström kommer att flyta mellan de positiva och negativa plattorna.

Detta får temperaturen att stiga, vilket leder till en termisk flykt, även kallad "ventilation med låga."

Under en termisk flykt kan den höga värmen från den sviktande cellen fortplantas till nästa cell, vilket gör att den också blir termiskt instabil.I vissa fall uppstår en kedjereaktion där varje cell sönderfaller enligt sin egen tidtabell.

Varför är explosion av Li-Ion-batterier ett stort problem för alla?

Smarttelefonen i fickan drivs av en Li-Ion batteri .De är en av de mest populära typerna av uppladdningsbara batterier för bärbar elektronik på grund av deras höga energitäthet, liten minneseffekt och låga självurladdning.

Utöver hemelektronik är litiumjonbatterier populära för militära, elektriska fordon och flygtillämpningar.Till exempel har litiumjonbatterier ersatt de konventionella blybatterier som har använts historiskt för golfbilar och nyttofordon.

Den globala marknaden för litiumjonbatterier förväntas uppgå till 46,21 miljarder dollar 2022, med en CAGR på 10,8 % under perioden 2016-2022.

För något som har blivit en integrerad del av vår vardag i så snabb takt, skulle vi verkligen riskera våra liv med dessa batterier omkring oss.

Med tanke på deras tillämpningar är de inte lätta att byta ut, men om det termiska flyktproblemet kunde lösas skulle balansen återställas i paradiset.

Hur kan vi förhindra termisk runaway in Litiumjonbatterier ?

1. Introduktion av en flamskyddsmedel
Termisk rusning uppstår ofta på grund av punkteringar och felaktig laddning.För att motverka sådana brandrisker använde uppfinnarna en termisk vätska som innehåller ett flamskyddsmedel.

Ett flamskyddsmedel är en förening som hämmar, undertrycker eller fördröjer produktionen av lågor eller förhindrar spridning av brand.

Här har de mikroinkapslat flamskyddsmedlet (vanligtvis en bromförening) i högdensitetspolyeten och tillsatt vatten och en glykolförening för att förbereda den använda termiska vätskan.Glykolföreningen används här som "frostskyddsmedel" (vanliga glykolföreningar som används är etylenglykol, dietylenglykol och propylenglykol).

Dessutom diskuteras uppfinningen mest i ljuset av EV-batterier.Ett batteri värms upp när det uppmanas att driva ett elfordon.Termisk vätska strömmar genom behållaren och över modulerna i batteriet.

I händelse av en överladdning, eller en bilolycka som resulterar i en punktering av batteriet, verkar flamskyddsmedlet i den termiska vätskan för att minska brandrisken.Närmare bestämt spricker mikrokapslar med bromföreningar när bristningstemperaturen uppnås på grund av överskottsvärme från elden.Det flamskyddsmedel som frigörs från mikrokapslarna och verkar för att få branden under kontroll.

2. Använda skadeinitierande enheter
Regents of University of California verkar vara ganska aktiva när det gäller att undersöka hur man hanterar problem med termisk flykt.

2006 lämnade de in ett patent relaterat till polymerelektrolyter med hög elasticitetsmodul lämpliga för att förhindra termisk flykt (US8703310).En annan uppsättning uppfinnare har lämnat in detta patent (dvs. US'535) 2013, om att mildra termisk flykt genom att använda material eller anordningar som orsakar skada.

Närmare bestämt har de utvecklat en avstängningsmekanism för termisk runaway som kan utlösas antingen mekaniskt eller termiskt (eller båda), eftersom batteriskador inträffar (dvs innan eller kort efter att termisk runaway startar) och tar hand om problemet innan det ens kan börja .

Sådana förutsägande eller omedelbara motåtgärder behövs särskilt när ett batteri utsätts för stötar eller högt tryck (som en olycka som jag också nämnde för det tidigare patentet US'886) och dess inre struktur skadad, vilket orsakar intern kortslutning.

Den grundläggande principen som den fungerar på är – när en mekanisk belastning appliceras på batteriet, kan skadeinitiatorer utlösa omfattande skador eller förstörelse av elektroden så att det interna motståndet ökar avsevärt för att mildra termisk rusning redan innan det kan inträffa.

Här har man pratat om två typer av skadeinitiatorer –

Passiva skadeinitiatorer

Dessa initiatorer initierar sprickbildning eller hålrum i elektroderna vid sammanstötning, och sådana sprickor och/eller hålrum ökar elektrodens inre impedans och reducerar sålunda värmealstring i samband med eventuell intern kortslutning.Sådana tillsatser är kända som sprickor eller hålrumsinitiatorer (CVI).

Elektrodskadorna kan orsakas av avbindning eller styvhetsmissanpassning av CVI-elektrodgränssnitt, brott och brott på CVI, etc. Exempel på passiva tillsatser inkluderar fasta eller porösa partiklar, fasta eller ihåliga/porösa fibrer, och rör, etc. och de kan bildas av kolmaterial som grafit, kolnanorör, aktivt kol, kolsvart, etc.

Aktiv skadeinitiator

Dessa initiatorer kan åstadkomma en betydande volym- eller formförändring vid en mekanisk eller termisk belastning.Aktiva skadeinitiatorer kan inkludera fasta eller porösa partiklar, fasta eller ihåliga pärlor, solida eller ihåliga/porösa fibrer och rör etc. Aktiva skadeinitiatorer kan bildas av formminneslegeringar såsom Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—Pt, etc.

Kemikalierna som frigörs under termisk flykt kan vara giftigt och i extrema fall kan termisk rusning orsaka att elektriska bränder och/eller batterier exploderar.Den omgivande lufttemperaturen i batterimiljön måste också upprätthållas korrekt.Att kontrollera dessa faktorer minskar potentialen för termisk flykt .

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