จะหยุดการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเนื่องจากการระบายความร้อนได้อย่างไร

Thermal Runaway เป็นปัญหาที่มีมายาวนานซึ่งรบกวนองค์กรขนาดใหญ่เช่น เทสลา , ซัมซุง , และ โบอิ้ง และตัวเล็กเหมือนกัน

เครื่องบินโบอิ้ง ดรีมไลเนอร์ 787 ซึ่งโบอิ้งโฆษณาว่าประหยัดน้ำมัน 20% ถูกสั่งงดให้บริการในปี 2556 และในปีเดียวกัน โมเดล S ของเทสลาก็ถูกสอบสวนด้านความปลอดภัยของรัฐบาลกลางหลังจากเกิดเพลิงไหม้อย่างน้อย 3 ครั้งปีที่แล้ว Samsung เรียกคืนสมาร์ทโฟน Galaxy Note 7 จำนวน 2.5 ล้านเครื่อง

สำหรับทั้งสามบริษัทซึ่งเป็นผู้เล่นชั้นนำในโดเมนของตน ปัญหาก็เหมือนกัน นั่นคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ติดตั้งเป็นหัวใจของผลิตภัณฑ์เป็นแหล่งพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ติดตั้งใน Tesla Model S, Dreamliner 787 และ Galaxy Note 7 เกิดการระเบิดอย่างต่อเนื่อง

เหตุใดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงระเบิดโดยไม่คาดคิด?

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบตเตอรี่ประเภทที่ใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรมต่างๆ แต่คุณรู้หรือไม่ว่าอะไรทำให้แบตเตอรี่เป็นอันตรายหากคุณเป็นนักวิจัยที่ทำงานกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน คุณจะรู้ว่าสาเหตุสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ระเบิดก็เนื่องมาจากความร้อนที่หลบหนีออกไป

Thermal Runaway คืออะไร และเหตุใดจึงเป็นสาเหตุหลักของการระเบิดของแบตเตอรี่?
ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แคโทดและแอโนดจะถูกแยกออกจากกันด้วยตัวแยกโพลีเอทิลีนแบบบาง ซึ่งบางครั้งอาจมีขนาด 10 ไมครอนเมื่อตัวแยกนี้แตก จะเกิดการลัดวงจรซึ่งเริ่มต้นกระบวนการที่เรียกว่าการหนีความร้อน

ความร้อนหนีความร้อนมักเกิดขึ้นระหว่างการชาร์จอุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดหลอมเหลวของลิเธียมโลหะและทำให้เกิดปฏิกิริยารุนแรง

สาเหตุสำคัญอีกประการหนึ่งที่อยู่เบื้องหลังการหนีความร้อนคืออนุภาคโลหะขนาดเล็กจิ๋วอื่นๆ ที่สัมผัสกับส่วนต่างๆ ของแบตเตอรี่ (สิ่งนี้เกิดขึ้นตลอดเวลาในกระบวนการประกอบแบตเตอรี่) ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร

โดยปกติแล้ว การลัดวงจรเล็กน้อยอาจทำให้เกิดการคายประจุเองสูงและเกิดความร้อนเพียงเล็กน้อยเนื่องจากพลังงานการคายประจุต่ำมากแต่เมื่ออนุภาคโลหะขนาดเล็กมากมาบรรจบกันที่จุดเดียว อาจเกิดไฟฟ้าลัดวงจรครั้งใหญ่ได้ และกระแสขนาดใหญ่จะไหลระหว่างแผ่นบวกและลบ

สิ่งนี้ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น นำไปสู่ภาวะระบายความร้อนหรือที่เรียกว่า 'การระบายด้วยเปลวไฟ'

ระหว่างการหนีความร้อน ความร้อนสูงของเซลล์ที่เสียหายสามารถแพร่กระจายไปยังเซลล์ถัดไป ส่งผลให้ความร้อนไม่เสถียรเช่นกันในบางกรณี ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้นเมื่อเซลล์แต่ละเซลล์สลายตัวตามเวลาที่กำหนด

เหตุใดการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นปัญหาสำคัญสำหรับทุกคน?

สมาร์ทโฟนในกระเป๋าของคุณใช้พลังงานจาก แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน .เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ประเภทหนึ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง มีเอฟเฟกต์หน่วยความจำเพียงเล็กน้อย และการคายประจุเองต่ำ

นอกเหนือจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานทางทหาร ยานพาหนะไฟฟ้า และการบินและอวกาศตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้เข้ามาแทนที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบเดิมที่เคยใช้กับรถกอล์ฟและรถอเนกประสงค์ในอดีต

ขนาดตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกคาดว่าจะสูงถึง 46.21 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2565 โดยมี CAGR ที่ 10.8% ในช่วงปี 2559-2565

สำหรับบางสิ่งที่กลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตประจำวันของเราอย่างรวดเร็วเช่นนี้ เราคงเสี่ยงชีวิตที่มีแบตเตอรี่เหล่านี้อยู่รอบตัวเราอย่างแน่นอน

เมื่อพิจารณาถึงการใช้งานแล้ว จึงไม่สามารถเปลี่ยนได้โดยง่าย แต่หากสามารถแก้ไขปัญหาการหนีความร้อนได้ ความสมดุลก็จะกลับคืนมาในสวรรค์

เราจะป้องกัน Thermal Runaway ในได้อย่างไร แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ?

1. การแนะนำสารหน่วงไฟ
การหนีความร้อนมักเกิดจากการเจาะและการชาร์จไฟที่ไม่เหมาะสมเพื่อตอบโต้อันตรายจากไฟไหม้ นักประดิษฐ์จึงใช้ของเหลวระบายความร้อนซึ่งมีสารหน่วงไฟ

สารหน่วงการติดไฟคือสารประกอบที่ยับยั้ง ระงับ หรือชะลอการเกิดเปลวไฟ หรือป้องกันการแพร่กระจายของไฟ

ที่นี่พวกเขามีไมโครแคปซูลสารหน่วงการติดไฟ (โดยปกติจะเป็นสารประกอบโบรมีน) ในโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูงและน้ำที่เติมเข้าไป และสารประกอบไกลคอลเพื่อเตรียมของเหลวระบายความร้อนที่ใช้สารประกอบไกลคอลถูกใช้ที่นี่เป็น "สารป้องกันการแข็งตัว" (สารประกอบไกลคอลทั่วไปที่ใช้คือ เอทิลีนไกลคอล, ไดเอทิลีนไกลคอล และโพรพิลีนไกลคอล)

นอกจากนี้ สิ่งประดิษฐ์นี้ยังกล่าวถึงเรื่องแบตเตอรี่ EV เป็นส่วนใหญ่แบตเตอรี่เมื่อถูกเรียกใช้เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าจะร้อนขึ้นของไหลความร้อนจะไหลผ่านภาชนะและเหนือโมดูลของแบตเตอรี่

ในกรณีที่มีการชาร์จไฟเกินหรืออุบัติเหตุทางรถยนต์ส่งผลให้แบตเตอรี่รั่ว สารหน่วงการติดไฟในของเหลวระบายความร้อนจะทำหน้าที่ลดอันตรายจากไฟไหม้แม่นยำยิ่งขึ้น ไมโครแคปซูลที่เป็นสารประกอบโบรมีนจะแตกเมื่อถึงอุณหภูมิที่แตกร้าวเนื่องจากความร้อนที่มากเกินไปของไฟสารหน่วงการติดไฟจะถูกปล่อยออกมาจากไมโครแคปซูลและทำหน้าที่ควบคุมไฟได้

2. การใช้อุปกรณ์ที่ก่อให้เกิดความเสียหาย
ดูเหมือนว่าผู้สำเร็จราชการแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียจะค่อนข้างกระตือรือร้นในการค้นคว้าวิธีจัดการกับปัญหาความร้อนที่ควบคุมไม่ได้

ในปี 2006 พวกเขาได้ยื่นสิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์โมดูลัสยืดหยุ่นสูงซึ่งเหมาะสำหรับการป้องกันการเคลื่อนตัวเนื่องจากความร้อน (US8703310)นักประดิษฐ์กลุ่มอื่นได้ยื่นสิทธิบัตรนี้ (เช่น US'535) ในปี 2013 เกี่ยวกับการบรรเทาความร้อนที่ไหลออกโดยใช้วัสดุหรืออุปกรณ์ที่ก่อให้เกิดความเสียหาย

แม่นยำยิ่งขึ้น พวกเขาได้พัฒนากลไกการปิดระบบระบายความร้อนซึ่งสามารถกระตุ้นได้ทั้งทางกลไกหรือทางความร้อน (หรือทั้งสองอย่าง) เนื่องจากความเสียหายของแบตเตอรี่เกิดขึ้น (เช่น ก่อนหรือไม่นานหลังจากที่ระบบระบายความร้อนเริ่มทำงาน) และดูแลปัญหาก่อนที่จะสามารถเริ่มต้นได้ .

มาตรการรับมือเชิงคาดการณ์หรือทันทีดังกล่าวมีความจำเป็นอย่างยิ่งเมื่อแบตเตอรี่ตกอยู่ภายใต้แรงกระแทกหรือแรงดันสูง (เช่นอุบัติเหตุดังที่ได้กล่าวไว้ในสิทธิบัตร US'886 ฉบับก่อนหน้าเช่นกัน) และโครงสร้างภายในได้รับความเสียหาย ทำให้เกิดการลัดวงจรภายใน

หลักการพื้นฐานที่แบตเตอรี่ใช้งานคือ เมื่อมีการจ่ายโหลดทางกลให้กับแบตเตอรี่ ตัวเริ่มต้นความเสียหายสามารถกระตุ้นให้เกิดความเสียหายในวงกว้างหรือการทำลายอิเล็กโทรดได้ เพื่อให้ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นอย่างมาก เพื่อลดการไหลหนีจากความร้อนก่อนที่จะเกิดขึ้นด้วยซ้ำ

ที่นี่พวกเขาได้พูดคุยเกี่ยวกับตัวก่อให้เกิดความเสียหายสองประเภท –

ตัวสร้างความเสียหายแบบพาสซีฟ

ตัวเริ่มต้นเหล่านี้ทำให้เกิดการแตกร้าวหรือทำให้อิเล็กโทรดเป็นโมฆะเมื่อถูกกระแทก และรอยแตกและ/หรือช่องว่างดังกล่าวจะเพิ่มความต้านทานภายในของอิเล็กโทรด ดังนั้นจึงลดการสร้างความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการลัดวงจรภายในที่อาจเกิดขึ้นได้สารเติมแต่งดังกล่าวเรียกว่าตัวเริ่มต้นรอยแตกหรือช่องว่าง (CVI)

ความเสียหายของอิเล็กโทรดอาจเกิดจากการหลุดออกหรือความแข็งที่ไม่ตรงกันของส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรด CVI การแตกหัก และการแตกของ CVI เป็นต้น ตัวอย่างของสารเติมแต่งแบบพาสซีฟ ได้แก่ อนุภาคที่เป็นของแข็งหรือมีรูพรุน เส้นใยที่เป็นของแข็งหรือกลวง/มีรูพรุน และท่อ ฯลฯ และ สามารถเกิดขึ้นได้จากวัสดุคาร์บอน เช่น กราไฟท์ ท่อนาโนคาร์บอน ถ่านกัมมันต์ คาร์บอนแบล็ค เป็นต้น

ตัวเริ่มต้นความเสียหายที่ใช้งานอยู่

ตัวเริ่มต้นเหล่านี้สามารถสร้างปริมาตรหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่มีนัยสำคัญเมื่อมีการรับภาระทางกลหรือทางความร้อนตัวเริ่มต้นความเสียหายแบบแอคทีฟอาจรวมถึงอนุภาคที่เป็นของแข็งหรือมีรูพรุน เม็ดบีดที่เป็นของแข็งหรือกลวง เส้นใยและท่อที่เป็นของแข็งหรือกลวง/มีรูพรุน ฯลฯ ตัวเริ่มต้นความเสียหายแบบแอคทีฟสามารถเกิดขึ้นได้จากโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง เช่น Ni—Ti, Ni—Ti—Pd, Ni —Ti—พอยต์ ฯลฯ

สารเคมีที่ถูกปล่อยออกมาในระหว่างนั้น หนีความร้อน อาจเป็นพิษได้ และในกรณีที่รุนแรง ความร้อนที่หลบหนีออกไปอาจทำให้เกิดไฟไหม้ไฟฟ้าและ/หรือแบตเตอรี่ระเบิดได้ต้องรักษาอุณหภูมิอากาศแวดล้อมในสภาพแวดล้อมของแบตเตอรี่อย่างเหมาะสมด้วยการควบคุมปัจจัยเหล่านี้ลดโอกาสการเกิด หนีความร้อน .

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