כיצד לשלוט בבריחתה התרמית של סוללות ליתיום יון

1. מעכב בעירה של אלקטרוליט

מעכבי בעירה אלקטרוליטים הם דרך יעילה מאוד להפחית את הסיכון לבריחה תרמית של סוללות, אך מעכבי בעירה אלו משפיעים לרוב על הביצועים האלקטרוכימיים של סוללות ליתיום יון, ולכן קשה להשתמש בהם בפועל. על מנת לפתור בעיה זו, צוות אוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, YuQiao [1] עם השיטה של ​​אריזת הקפסולות יעכב מעכב בעירה DbA (dibenzyl amine) המאוחסן בחלק הפנימי של הקפסולה המיקרו, מפוזר באלקטרוליט, ב זמנים רגילים לא ישפיעו על הביצועים של סוללות ליתיום יון, אך כאשר התאים לא נהרסים בכוח חיצוני כגון שחול, מעכבי הבעירה בקפסולות אלו משתחררים, מרעילים את הסוללה וגורמים לה להיכשל, ובכך מתריעים לה. לבריחה תרמית. בשנת 2018, הצוות של YuQiao [2] השתמש שוב בטכנולוגיה הנ"ל, תוך שימוש באתילן גליקול ובאתילןדיאמין כמעכבי בעירה, שהוכנסו והוכנסו לסוללת הליתיום יון, מה שהביא לירידה של 70% בטמפרטורה המקסימלית של סוללת הליתיום יון במהלך בדיקת פינים, מצמצמת משמעותית את הסיכון לשליטה תרמית של סוללת הליתיום יון.

השיטות שהוזכרו לעיל הן הרס עצמי, מה שאומר שברגע שנעשה שימוש בחומר מעכב בעירה, כל סוללת הליתיום-יון תושמד. עם זאת, הצוות של AtsuoYamada באוניברסיטת טוקיו ביפן [3] פיתח אלקטרוליט מעכב בעירה שלא ישפיע על הביצועים של סוללות ליתיום-יון. באלקטרוליט זה, ריכוז גבוה של NaN(SO2F)2(NaFSA) אוLiN(SO2F)2(LiFSA) שימש כמלח ליתיום, ולאלקטרוליט נוספה טרימתיל פוספט TMP מעכב בעירה נפוץ, אשר שיפר משמעותית את היציבות התרמית. של סוללת ליתיום יון. יתרה מכך, התוספת של מעכב בעירה לא השפיעה על ביצועי המחזור של סוללת ליתיום יון. ניתן להשתמש באלקטרוליט ליותר מ-1000 מחזורים (1200 C/5 מחזורים, שימור קיבולת של 95%).

המאפיינים מעכבי בעירה של סוללות ליתיום יון באמצעות תוספים היא אחת הדרכים להתריע בפני סוללות ליתיום יון להתחמם ללא שליטה. יש אנשים שגם מוצאים דרך חדשה לנסות להתריע על התרחשות קצר חשמלי בסוללות ליתיום יון הנגרם על ידי כוחות חיצוניים מהשורש, כדי להשיג את המטרה של הסרת הקרקעית ולבטל לחלוטין את התרחשות החום ללא שליטה. לאור ההשפעה האלימה האפשרית של סוללות ליתיום יון בשימוש, GabrielM.Veith מ-Oak Ridge National Laboratory בארצות הברית עיצב אלקטרוליט בעל תכונות עיבוי גזירה [4]. אלקטרוליט זה מנצל את התכונות של נוזלים שאינם ניוטונים. במצב תקין, האלקטרוליט נוזלי. עם זאת, כאשר הוא מתמודד עם פגיעה פתאומית, הוא יציג מצב מוצק, יהפוך חזק ביותר, ואפילו יכול להשיג את האפקט של חסין כדורים. מהשורש, הוא מתריע על הסיכון לבריחה תרמית הנגרמת כתוצאה מקצר בסוללה כאשר סוללת הליתיום הכוח מתנגשת.

2. מבנה הסוללה

לאחר מכן, בואו נסתכל כיצד להפעיל את הבלמים על בריחת תרמית מרמת תאי הסוללה. נכון לעכשיו, בעיית הבריחה התרמית נחשבה בתכנון המבני של סוללות ליתיום יון. לדוגמה, בדרך כלל ישנו שסתום שחרור לחץ במכסה העליון של סוללת 18650, אשר יכול לשחרר בזמן את הלחץ המוגזם בתוך הסוללה בעת בריחת תרמית. שנית, יהיה חומר PTC מקדם טמפרטורה חיובי במכסה הסוללה. כאשר טמפרטורת הבריחה התרמית עולה, ההתנגדות של חומר PTC תגדל באופן משמעותי כדי להפחית את הזרם ולהפחית את ייצור החום. בנוסף, בתכנון המבנה של הסוללה הבודדת יש לקחת בחשבון גם את התכנון נגד קצר חשמלי בין הקטבים החיובי והשלילי, התראה בגלל הפעלה שגויה, שאריות מתכת וגורמים אחרים הגורמים לקצר בסוללה, הגורמים לתאונות בטיחות.

כאשר עיצוב שני בסוללות, חייב להשתמש בסרעפת בטוחה יותר, כגון נקבובית סגורה אוטומטית של קומפוזיט תלת שכבתי בטמפרטורה גבוהה את הסרעפת, אך בשנים האחרונות, עם שיפור צפיפות האנרגיה של הסוללה, דיאפרגמה דקה במגמה של דיאפרגמה מרוכבת תלת-שכבתית התיישנה בהדרגה, הוחלפה בציפוי הקרמי של הסרעפת, ציפוי קרמי למטרות תמיכת הסרעפת, הפחתת התכווצות הסרעפת בטמפרטורות גבוהות, שפר את היציבות התרמית של סוללת ליתיום יון והפחתת הסיכון של בריחת תרמית של סוללת ליתיום יון.

3. עיצוב בטיחות תרמי של חבילת סוללות

בשימוש, סוללות ליתיום יון מורכבות לרוב מעשרות, מאות או אפילו אלפי סוללות באמצעות חיבור סדרתי וחיבור מקביל. לדוגמה, ערכת הסוללות של Tesla ModelS מורכבת מיותר מ-7,000 סוללות 18650. אם אחת הסוללות מאבדת שליטה תרמית, היא עלולה להתפשט בחבילת הסוללות ולגרום לתוצאות חמורות. לדוגמה, בינואר 2013, סוללת ליתיום יון מדגם בואינג 787 של חברה יפנית עלתה באש בבוסטון, ארצות הברית. על פי החקירה של המועצה הלאומית לבטיחות בתחבורה, סוללת ליתיום יון מרובעת 75Ah בחבילת הסוללות גרמה לבריחה תרמית של סוללות סמוכות. לאחר התקרית, דרשה בואינג שכל מארזי הסוללות יהיו מצוידים באמצעים חדשים למניעת התפשטות תרמית בלתי מבוקרת.

על מנת למנוע מהבריחה התרמית להתפשט בתוך סוללות ליתיום יון, AllcellTechnology פיתחה חומר בידוד תרמי PCC עבור סוללות ליתיום יון המבוסס על חומרי שינוי פאזה [5]. חומר PCC מלא בין סוללת ליתיום יון מונומר, במקרה של עבודה רגילה של ערכת סוללות ליתיום יון, ערכת סוללות בחום יכולה לעבור דרך חומר ה-PCC במהירות אל החלק החיצוני של חבילת הסוללות, כאשר בריחת תרמית בליתיום יון סוללות, החומר PCC על ידי המסת שעוות פרפין פנימית שלו סופגים הרבה חום, מונעים את עליית טמפרטורת הסוללה נוספת, ובכך מתריע לחום שיצא משליטה בדיפוזיה הפנימית של ערכת הסוללות. בבדיקת סיכה, בריחת תרמית של סוללה אחת בחבילת סוללות המורכבת מ-4 ו-10 מחרוזות של 18650 חבילות סוללות ללא שימוש בחומר PCC גרמה בסופו של דבר לבריחה תרמית של 20 סוללות בחבילת הסוללות, בעוד שהבריחה התרמית של אחת סוללה בחבילת הסוללות העשויה מחומר PCC לא גרמה לבריחה תרמית של ערכות סוללות אחרות.