1. Środek zmniejszający palność elektrolitu
Elektrolitowe środki zmniejszające palność są bardzo skutecznym sposobem zmniejszania ryzyka niekontrolowanej niestabilności termicznej akumulatorów, ale te środki zmniejszające palność często mają poważny wpływ na właściwości elektrochemiczne akumulatorów litowo-jonowych, dlatego są trudne do stosowania w praktyce. Aby rozwiązać ten problem, zespół YuQiao z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego [1] opracowując metodę pakowania kapsułek, zastosuje środek zmniejszający palność DbA (dibenzyloamina) przechowywany we wnętrzu mikrokapsułki, rozproszony w elektrolicie, w normalne czasy nie będą miały wpływu na wydajność akumulatorów litowo-jonowych, ale gdy ogniwa zostaną zniszczone przez siłę zewnętrzną, taką jak wytłaczanie, wówczas uwalniają się środki zmniejszające palność w tych kapsułkach, zatruwając akumulator i powodując jego awarię, ostrzegając w ten sposób do ucieczki termicznej. W 2018 roku zespół YuQiao [2] ponownie zastosował powyższą technologię, stosując jako środki zmniejszające palność glikol etylenowy i etylenodiaminę, które zostały kapsułkowane i umieszczone w akumulatorze litowo-jonowym, co spowodowało spadek maksymalnej temperatury akumulatora litowo-jonowego o 70% podczas pracy. test pin pin, znacznie zmniejszający ryzyko kontroli termicznej akumulatora litowo-jonowego.
Wymienione powyżej metody są samodestrukcyjne, co oznacza, że po zastosowaniu środka zmniejszającego palność cały akumulator litowo-jonowy ulegnie zniszczeniu. Jednakże zespół AtsuoYamady na uniwersytecie w Tokio w Japonii [3] opracował elektrolit zmniejszający palność, który nie będzie miał wpływu na wydajność akumulatorów litowo-jonowych. W elektrolicie tym zastosowano wysokie stężenie NaN(SO2F)2(NaFSA) lub LiN(SO2F)2(LiFSA) w postaci soli litowej, a do elektrolitu dodano powszechnie stosowany uniepalniający fosforan trimetylu TMP, co znacząco poprawiło stabilność termiczną baterii litowo-jonowej. Co więcej, dodatek środka zmniejszającego palność nie miał wpływu na wydajność cyklu akumulatora litowo-jonowego. Elektrolit może być używany przez ponad 1000 cykli (1200 C/5 cykli, 95% utrzymania pojemności).
Właściwości zmniejszające palność akumulatorów litowo-jonowych dzięki dodatkom to jeden ze sposobów ostrzegania akumulatorów litowo-jonowych o wymykającym się spod kontroli nagrzaniu. Niektórzy ludzie wymyślają także nowy sposób, aby spróbować ostrzec o wystąpieniu zwarcia w akumulatorach litowo-jonowych, spowodowanego siłami zewnętrznymi od rdzenia, tak aby osiągnąć cel polegający na usunięciu dna i całkowicie wyeliminować występowanie niekontrolowanego ciepła. Mając na uwadze możliwe gwałtowne oddziaływanie stosowanych akumulatorów litowo-jonowych mocy, Gabriel M.Veith z Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych zaprojektował elektrolit o właściwościach zagęszczających pod wpływem ścinania [4]. Elektrolit ten wykorzystuje właściwości płynów nienewtonowskich. W stanie normalnym elektrolit jest płynny. Jednak w obliczu nagłego uderzenia przyjmie postać stałą, stanie się niezwykle mocny, a nawet może osiągnąć efekt kuloodporny. Od początku ostrzega o ryzyku niekontrolowanej utraty ciepła spowodowanej zwarciem w akumulatorze w przypadku zderzenia akumulatora litowo-jonowego.
2. Struktura baterii
Następnie przyjrzyjmy się, jak włączyć hamulce w przypadku ucieczki termicznej z poziomu ogniw akumulatora. Obecnie przy projektowaniu konstrukcji akumulatorów litowo-jonowych uwzględnia się problem niekontrolowanej niestabilności termicznej. Na przykład w górnej pokrywie akumulatora 18650 zwykle znajduje się ciśnieniowy zawór nadmiarowy, który może w odpowiednim czasie uwolnić nadmierne ciśnienie wewnątrz akumulatora w przypadku niestabilności termicznej. Po drugie, w pokrywie akumulatora będzie materiał PTC o dodatnim współczynniku temperaturowym. Gdy temperatura niekontrolowanej temperatury wzrasta, rezystancja materiału PTC znacznie wzrośnie, aby zmniejszyć prąd i zmniejszyć wytwarzanie ciepła. Ponadto przy projektowaniu konstrukcji pojedynczego akumulatora należy również wziąć pod uwagę konstrukcję przeciwzwarciową między biegunami dodatnim i ujemnym, ostrzegającą z powodu nieprawidłowego działania, pozostałości metalu i innych czynników powodujących zwarcie akumulatora, powodując wypadki związane z bezpieczeństwem.
W przypadku drugiego projektu akumulatorów należy zastosować bezpieczniejszą membranę, np. automatycznie zamykane pory trójwarstwowego kompozytu w wysokiej temperaturze membrany, ale w ostatnich latach, wraz z poprawą gęstości energii akumulatora, zaczęto stosować cienką membranę zgodnie z trendem trójwarstwowa membrana kompozytowa stopniowo staje się przestarzała, zastąpiona ceramiczną powłoką membrany, powłoką ceramiczną do celów podparcia membrany, zmniejsza skurcz membrany w wysokich temperaturach, poprawia stabilność termiczną akumulatora litowo-jonowego i zmniejsza ryzyko niestabilność termiczna akumulatora litowo-jonowego.
3. Projekt zabezpieczenia termicznego pakietu akumulatorów
W użyciu akumulatory litowo-jonowe często składają się z dziesiątek, setek, a nawet tysięcy akumulatorów połączonych szeregowo i równolegle. Na przykład zestaw akumulatorów Tesla ModelS składa się z ponad 7000 akumulatorów 18650. Jeśli jeden z akumulatorów straci kontrolę nad temperaturą, może rozprzestrzenić się w akumulatorze i spowodować poważne konsekwencje. Na przykład w styczniu 2013 r. w Bostonie w Stanach Zjednoczonych zapaliła się bateria litowo-jonowa Boeinga 787 japońskiej firmy. Według dochodzenia przeprowadzonego przez Krajową Radę Bezpieczeństwa Transportu kwadratowy akumulator litowo-jonowy o pojemności 75 Ah znajdujący się w zestawie akumulatorów spowodował niekontrolowaną ucieczkę cieplną sąsiednich akumulatorów. Po incydencie Boeing zażądał wyposażenia wszystkich akumulatorów w nowe środki zapobiegające niekontrolowanemu rozprzestrzenianiu się ciepła.
Aby zapobiec rozprzestrzenianiu się niekontrolowanej temperatury wewnątrz akumulatorów litowo-jonowych, firma AllcellTechnology opracowała materiał izolujący niekontrolowaną termicznie PCC do akumulatorów litowo-jonowych na bazie materiałów zmiennofazowych [5]. Materiał PCC wypełniony monomerowym akumulatorem litowo-jonowym, w przypadku normalnej pracy akumulatora litowo-jonowego, podgrzany akumulator może szybko przedostać się przez materiał PCC na zewnątrz akumulatora, gdy w litowo-jonowym ucieczce ciepła akumulatorów, materiał PCC poprzez wewnętrzne topienie parafiny pochłania dużo ciepła, zapobiega dalszemu wzrostowi temperatury akumulatora, ostrzegając w ten sposób o wymykającym się spod kontroli nagrzaniu w wewnętrznej dyfuzji akumulatora. W teście nakłucia szpilką niekontrolowana temperatura jednego akumulatora w zestawie akumulatorów składającym się z 4 i 10 ciągów akumulatorów 18650 bez użycia materiału PCC ostatecznie spowodowała ucieczkę termiczną 20 akumulatorów w pakiecie akumulatorów, podczas gdy niekontrolowana temperatura jednego akumulator w pakiecie akumulatorowym wykonanym z materiału PCC nie spowodował ucieczki termicznej innych akumulatorów.
Czas publikacji: 25 lutego 2022 r