Σήμερα, διάφορες αυτοκινητοβιομηχανίες χρησιμοποιούν μπαταρίες λιθίου σε μεγάλη κλίμακα σε μπαταρίες ισχύος και η ενεργειακή πυκνότητα αυξάνεται όλο και περισσότερο, αλλά οι άνθρωποι εξακολουθούν να ανησυχούν για την ασφάλεια των μπαταριών ισχύος και δεν αποτελούν καλή λύση για την ασφάλεια των μπαταριών. Η θερμική διαφυγή είναι το κύριο ερευνητικό αντικείμενο της ασφάλειας των μπαταριών ισχύος και αξίζει να εστιάσουμε σε αυτό.
Καταρχάς, ας κατανοήσουμε τι είναι η θερμική διαφυγή. Η θερμική διαφυγή είναι ένα φαινόμενο αλυσιδωτής αντίδρασης που προκαλείται από διάφορους παράγοντες, με αποτέλεσμα την εκπομπή μεγάλης ποσότητας θερμότητας και επιβλαβών αερίων από την μπαταρία σε σύντομο χρονικό διάστημα, η οποία μπορεί ακόμη και να προκαλέσει πυρκαγιά και έκρηξη της μπαταρίας σε σοβαρές περιπτώσεις. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για την εμφάνιση θερμικής διαφυγής, όπως υπερθέρμανση, υπερφόρτιση, εσωτερικό βραχυκύκλωμα, σύγκρουση κ.λπ. Η θερμική διαφυγή της μπαταρίας συχνά ξεκινά από την αποσύνθεση της αρνητικής μεμβράνης SEI στο στοιχείο της μπαταρίας, ακολουθούμενη από την αποσύνθεση και την τήξη του διαφράγματος, με αποτέλεσμα το αρνητικό ηλεκτρόδιο και τον ηλεκτρολύτη, ακολουθούμενη από την αποσύνθεση τόσο του θετικού ηλεκτροδίου όσο και του ηλεκτρολύτη, προκαλώντας έτσι ένα μεγάλης κλίμακας εσωτερικό βραχυκύκλωμα, προκαλώντας την καύση του ηλεκτρολύτη, η οποία στη συνέχεια εξαπλώνεται σε άλλα στοιχεία, προκαλώντας μια σοβαρή θερμική διαφυγή και επιτρέποντας σε ολόκληρη την μπαταρία να παράγει αυθόρμητη καύση.
Οι αιτίες της θερμικής διαφυγής μπορούν να χωριστούν σε εσωτερικές και εξωτερικές αιτίες. Οι εσωτερικές αιτίες οφείλονται συχνά σε εσωτερικά βραχυκυκλώματα, ενώ οι εξωτερικές αιτίες οφείλονται σε μηχανική κακοποίηση, ηλεκτρική κακοποίηση, θερμική κακοποίηση κ.λπ.
Ένα εσωτερικό βραχυκύκλωμα, το οποίο είναι μια άμεση επαφή μεταξύ των θετικών και αρνητικών ακροδεκτών της μπαταρίας, ποικίλλει σημαντικά ως προς τον βαθμό επαφής και την επακόλουθη αντίδραση που προκαλείται. Συνήθως, ένα τεράστιο εσωτερικό βραχυκύκλωμα που προκαλείται από μηχανική και θερμική κακοποίηση θα προκαλέσει άμεσα θερμική διαφυγή. Αντίθετα, τα εσωτερικά βραχυκυκλώματα που αναπτύσσονται από μόνα τους είναι σχετικά μικρά και η θερμότητα που παράγει είναι τόσο μικρή που δεν προκαλεί άμεσα θερμική διαφυγή. Η εσωτερική αυτο-ανάπτυξη συνήθως περιλαμβάνει κατασκευαστικά ελαττώματα, φθορά διαφόρων ιδιοτήτων που προκαλούνται από τη γήρανση της μπαταρίας, όπως αυξημένη εσωτερική αντίσταση, εναποθέσεις μετάλλου λιθίου που προκαλούνται από μακροχρόνια ήπια κακή χρήση κ.λπ. Καθώς ο χρόνος συσσωρεύεται, ο κίνδυνος εσωτερικού βραχυκυκλώματος που προκαλείται από τέτοιες εσωτερικές αιτίες θα αυξάνεται σταδιακά.
Η μηχανική κακοποίηση αναφέρεται στην παραμόρφωση του μονομερούς μπαταρίας λιθίου και της συστοιχίας μπαταριών υπό την επίδραση εξωτερικής δύναμης και στη σχετική μετατόπιση διαφόρων μερών της. Οι κύριες μορφές έναντι του ηλεκτρικού στοιχείου περιλαμβάνουν σύγκρουση, εξώθηση και διάτρηση. Για παράδειγμα, ένα ξένο αντικείμενο που αγγίχθηκε από το όχημα με υψηλή ταχύτητα οδήγησε άμεσα στην κατάρρευση του εσωτερικού διαφράγματος της μπαταρίας, η οποία με τη σειρά της προκάλεσε βραχυκύκλωμα μέσα στην μπαταρία και πυροδότησε αυτανάφλεξη σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Η ηλεκτρική κακοποίηση των μπαταριών λιθίου περιλαμβάνει γενικά εξωτερικό βραχυκύκλωμα, υπερφόρτιση, υπερεκφόρτιση σε διάφορες μορφές, οι οποίες είναι πιθανότερο να εξελιχθούν σε θερμική διαφυγή ή υπερφόρτιση. Εξωτερικό βραχυκύκλωμα συμβαίνει όταν δύο αγωγοί με διαφορική πίεση είναι συνδεδεμένοι έξω από το στοιχείο. Τα εξωτερικά βραχυκυκλώματα στις μπαταρίες μπορεί να οφείλονται σε παραμόρφωση που προκαλείται από συγκρούσεις οχημάτων, βύθιση σε νερό, μόλυνση των αγωγών ή ηλεκτροπληξία κατά τη συντήρηση. Συνήθως, η θερμότητα που απελευθερώνεται από ένα εξωτερικό βραχυκύκλωμα δεν θερμαίνει την μπαταρία, σε αντίθεση με ένα τρύπημα. Ο σημαντικός σύνδεσμος μεταξύ ενός εξωτερικού βραχυκυκλώματος και θερμικής διαφυγής είναι η θερμοκρασία που φτάνει στο σημείο υπερθέρμανσης. Όταν η θερμότητα που παράγεται από το εξωτερικό βραχυκύκλωμα δεν μπορεί να διαχυθεί καλά, η θερμοκρασία της μπαταρίας αυξάνεται και η υψηλή θερμοκρασία ενεργοποιεί τη θερμική διαφυγή. Επομένως, η διακοπή του ρεύματος βραχυκυκλώματος ή η διάχυση της υπερβολικής θερμότητας είναι τρόποι για να αποτραπεί η πρόκληση περαιτέρω ζημιών από το εξωτερικό βραχυκύκλωμα. Η υπερφόρτιση, λόγω της υψηλής ενέργειάς της, είναι ένας από τους υψηλότερους κινδύνους ηλεκτρικής κακοποίησης. Η παραγωγή θερμότητας και αερίου είναι δύο κοινά χαρακτηριστικά της διαδικασίας υπερφόρτισης. Η παραγωγή θερμότητας προέρχεται από ωμική θερμότητα και πλευρικές αντιδράσεις. Καταρχάς, οι δενδρίτες λιθίου αναπτύσσονται στην επιφάνεια της ανόδου λόγω υπερβολικής ενσωμάτωσης λιθίου.
Μέτρα προστασίας από θερμική διαφυγή:
Στο στάδιο της αυτοπαραγόμενης θερμότητας, για την αναστολή της θερμικής διαφυγής του πυρήνα, έχουμε δύο επιλογές: η μία είναι η βελτίωση και η αναβάθμιση του υλικού του πυρήνα. Η ουσία της θερμικής διαφυγής έγκειται κυρίως στη σταθερότητα των υλικών των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Στο μέλλον, πρέπει επίσης να κάνουμε μεγαλύτερες ανακαλύψεις στην επικάλυψη του υλικού της καθόδου, στην τροποποίηση, στη συμβατότητα του ομοιογενούς ηλεκτρολύτη και του ηλεκτροδίου και στη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας του πυρήνα. Ή να επιλέξουμε τον ηλεκτρολύτη με υψηλή ασφάλεια για να παίξει το ρόλο του επιβραδυντικού φλόγας. Δεύτερον, είναι απαραίτητο να υιοθετήσουμε αποτελεσματικές λύσεις θερμικής διαχείρισης (Θερμαντήρας ψυκτικού PTC/ Θερμαντήρας αέρα PTC) από το εξωτερικό για την καταστολή της αύξησης της θερμοκρασίας της μπαταρίας ιόντων λιθίου, έτσι ώστε να διασφαλιστεί ότι η μεμβράνη SEI του κελιού δεν θα φτάσει στη θερμοκρασία διάλυσης και, φυσικά, δεν θα συμβεί θερμική διαφυγή.
Ώρα δημοσίευσης: 17 Μαρτίου 2023
