Danes različna avtomobilska podjetja v velikem obsegu uporabljajo litijeve baterije v baterijah za napajanje, gostota energije pa postaja vse večja, vendar so ljudje še vedno obremenjeni z varnostjo baterij in to ni dobra rešitev za varnost baterij. Toplotni pobeg je glavni raziskovalni predmet varnosti baterij in nanj se je vredno osredotočiti.
Najprej si poglejmo, kaj je termični pobeg. Termični pobeg je verižna reakcija, ki jo sprožijo različni dejavniki, zaradi česar baterija v kratkem času sprosti veliko količino toplote in škodljivih plinov, kar lahko v hujših primerih celo povzroči vžig in eksplozijo baterije. Obstaja veliko razlogov za pojav termičnega pobega, kot so pregrevanje, prekomerno polnjenje, notranji kratek stik, trk itd. Termični pobeg baterije se pogosto začne z razgradnjo negativnega filma SEI v baterijski celici, čemur sledi razgradnja in taljenje membrane, kar povzroči negativno elektrodo in elektrolit, nato pa razgradnja tako pozitivne elektrode kot elektrolita, kar sproži obsežen notranji kratek stik, zaradi česar elektrolit zgori, kar se nato razširi na druge celice, kar povzroči resen termični pobeg in omogoči spontano zgorevanje celotnega baterijskega sklopa.
Vzroke za toplotni pobeg lahko razdelimo na notranje in zunanje vzroke. Notranji vzroki so pogosto posledica notranjih kratkih stikov; zunanji vzroki so posledica mehanske zlorabe, električne zlorabe, toplotne zlorabe itd.
Notranji kratek stik, ki je neposreden stik med pozitivnim in negativnim poloma baterije, se zelo razlikuje glede na stopnjo stika in posledično sproženo reakcijo. Običajno močan notranji kratek stik, ki ga povzroči mehanska in toplotna zloraba, neposredno sproži toplotni pobeg. Nasprotno pa so notranji kratki stiki, ki se razvijejo sami od sebe, relativno majhni, toplota, ki jo ustvarijo, pa je tako majhna, da ne sprožijo takoj toplotnega pobega. Notranji samorazvoj običajno vključuje proizvodne napake, poslabšanje različnih lastnosti, ki jih povzroča staranje baterije, kot so povečana notranja upornost, usedline litijeve kovine, ki jih povzroča dolgotrajna blaga zloraba itd. Sčasoma se bo tveganje notranjega kratkega stika, ki ga povzročijo takšni notranji vzroki, postopoma povečevalo.
Mehanska poškodba se nanaša na deformacijo monomera litijeve baterije in baterijskega sklopa pod vplivom zunanje sile ter relativni premik različnih delov samega sebe. Glavne oblike poškodb električne celice vključujejo trčenje, iztiskanje in predrtje. Na primer, tujek, ki se ga je vozilo pri visoki hitrosti dotaknilo, je neposredno povzročil porušitev notranje membrane baterije, kar je povzročilo kratek stik znotraj baterije in sprožilo spontano vžig v kratkem času.
Električna zloraba litijevih baterij običajno vključuje zunanji kratek stik, prenapolnjenost in prenapolnjenost v več oblikah, kar najverjetneje povzroči termični pobeg do prenapolnjenosti. Zunanji kratek stik nastane, ko sta dva vodnika z diferencialnim tlakom povezana zunaj celice. Zunanji kratki stiki v baterijskih sklopih so lahko posledica deformacije, ki jo povzročijo trki vozil, potopitev v vodo, kontaminacija vodnikov ali električni udar med vzdrževanjem. Običajno toplota, ki se sprosti zaradi zunanjega kratkega stika, ne segreje baterije, temveč jo predre. Pomembna povezava med zunanjim kratkim stikom in termičnim pobegom je temperatura, ki doseže točko pregrevanja. Ko toplote, ki jo ustvari zunanji kratki stik, ni mogoče dobro odvajati, se temperatura baterije dvigne in visoka temperatura sproži termični pobeg. Zato sta prekinitev toka kratkega stika ali odvajanje odvečne toplote načina za preprečevanje nadaljnje škode zaradi zunanjega kratkega stika. Prenapolnjenost je zaradi visoke energije ena največjih nevarnosti električne zlorabe. Nastajanje toplote in plina sta dve pogosti značilnosti procesa prenapolnjenja. Nastajanje toplote izvira iz ohmske toplote in stranskih reakcij. Najprej na površini anode rastejo litijevi dendriti zaradi prekomernega vgrajevanja litija.
Ukrepi za zaščito pred toplotnim uhajanjem:
V fazi samogenerirane toplote imamo za preprečevanje toplotnega uhajanja jedra dve možnosti. Prva je izboljšanje in nadgradnja materiala jedra. Bistvo toplotnega uhajanja je predvsem v stabilnosti materialov pozitivnih in negativnih elektrod ter elektrolita. V prihodnosti moramo doseči tudi večje preboje na področju prevleke katodnega materiala, modifikacije, združljivosti homogenega elektrolita in elektrode ter izboljšanja toplotne prevodnosti jedra. Ali pa izbrati elektrolit z visoko varnostjo, da se doseže učinek zaviralca gorenja. Drugič, treba je sprejeti učinkovite rešitve za upravljanje toplote (PTC grelec hladilne tekočine/ PTC grelec zraka) od zunaj, da se prepreči dvig temperature litij-ionske baterije, s čimer se zagotovi, da se SEI film celice ne dvigne do temperature raztapljanja in seveda ne pride do toplotnega pobega.
Čas objave: 17. marec 2023
