كيفية التحكم في الهروب الحراري لبطاريات الليثيوم أيون

1. مثبطات اللهب بالكهرباء

تعد مثبطات اللهب الإلكتروليتية وسيلة فعالة للغاية لتقليل مخاطر الانفلات الحراري للبطاريات، ولكن غالبًا ما يكون لمثبطات اللهب هذه تأثير خطير على الأداء الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم أيون، لذلك يصعب استخدامها عمليًا. من أجل حل هذه المشكلة، قام فريق YuQiao [1] من جامعة كاليفورنيا، سان دييغو باستخدام طريقة تغليف الكبسولة، حيث سيتم تخزين مثبطات اللهب DbA (ثنائي البنزيل أمين) في الجزء الداخلي من الكبسولة الصغيرة، المنتشرة في المنحل بالكهرباء، في لن تؤثر الأوقات العادية على أداء بطاريات الليثيوم أيون، ولكن عندما تتعرض الخلايا للتدمير بواسطة قوة خارجية مثل البثق، يتم بعد ذلك إطلاق مثبطات اللهب الموجودة في هذه الكبسولات، مما يؤدي إلى تسمم البطارية والتسبب في تعطلها، وبالتالي تنبيهها إلى الهروب الحراري. في عام 2018، استخدم فريق YuQiao [2] التكنولوجيا المذكورة أعلاه مرة أخرى، باستخدام جلايكول الإيثيلين والإيثيلينديامين كمثبطات للهب، والتي تم تغليفها وإدخالها في بطارية أيون الليثيوم، مما أدى إلى انخفاض بنسبة 70% في درجة الحرارة القصوى لبطارية أيون الليثيوم أثناء اختبار الدبوس، مما يقلل بشكل كبير من خطر التحكم الحراري لبطارية الليثيوم أيون.

الطرق المذكورة أعلاه هي ذاتية التدمير، مما يعني أنه بمجرد استخدام مثبطات اللهب، سيتم تدمير بطارية الليثيوم أيون بالكامل. ومع ذلك، قام فريق أتسو يامادا في جامعة طوكيو في اليابان [3] بتطوير إلكتروليت مثبط للهب لن يؤثر على أداء بطاريات أيونات الليثيوم. في هذا المنحل بالكهرباء، تم استخدام تركيز عالٍ من NaN(SO2F)2(NaFSA) أوLiN(SO2F)2(LiFSA) كملح ليثيوم، وتمت إضافة ثلاثي ميثيل فوسفات TMP الشائع مثبطات اللهب إلى المنحل بالكهرباء، مما أدى إلى تحسين الاستقرار الحراري بشكل ملحوظ من بطارية ليثيوم أيون. علاوة على ذلك، فإن إضافة مثبطات اللهب لم تؤثر على أداء دورة بطارية أيون الليثيوم. يمكن استخدام الإلكتروليت لأكثر من 1000 دورة (1200 درجة مئوية/5 دورات، الاحتفاظ بالقدرة بنسبة 95%).

تعد خصائص مثبطات اللهب لبطاريات الليثيوم أيون من خلال المواد المضافة إحدى طرق تنبيه بطاريات الليثيوم أيون إلى أن الحرارة تخرج عن نطاق السيطرة. يجد بعض الأشخاص أيضًا طريقة جديدة لمحاولة التنبيه إلى حدوث ماس كهربائي في بطاريات الليثيوم أيون بسبب قوى خارجية من الجذر، وذلك لتحقيق غرض إزالة الجزء السفلي والقضاء تمامًا على حدوث حرارة خارجة عن السيطرة. في ضوء التأثير العنيف المحتمل لبطاريات أيونات الليثيوم المستخدمة، صمم غابرييل إم.فيث من مختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة إلكتروليتًا يتميز بخصائص سماكة القص [4]. يستخدم هذا المنحل بالكهرباء خصائص السوائل غير النيوتونية. في الحالة الطبيعية، يكون المنحل بالكهرباء سائلا. ومع ذلك، عند مواجهة تأثير مفاجئ، فإنه سيظهر حالة صلبة، ويصبح قويًا للغاية، وحتى يمكنه تحقيق تأثير مضاد للرصاص. من الجذر، فإنه ينبه إلى خطر الانفلات الحراري الناجم عن ماس كهربائى في البطارية عند اصطدام بطارية أيون الليثيوم.

2. هيكل البطارية

بعد ذلك، دعونا نلقي نظرة على كيفية وضع المكابح على الانفلات الحراري من مستوى خلايا البطارية. في الوقت الحاضر، تم أخذ مشكلة الانفلات الحراري بعين الاعتبار في التصميم الهيكلي لبطاريات أيونات الليثيوم. على سبيل المثال، عادة ما يكون هناك صمام تخفيف الضغط في الغطاء العلوي لبطارية 18650، والذي يمكنه تحرير الضغط الزائد داخل البطارية في الوقت المناسب عند الهروب الحراري. ثانيًا، سيكون هناك مادة معامل درجة الحرارة الإيجابية PTC في غطاء البطارية. عندما ترتفع درجة الحرارة الجامحة الحرارية، فإن مقاومة مادة PTC ستزداد بشكل كبير لتقليل التيار وتقليل توليد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، عند تصميم هيكل البطارية المفردة، يجب أيضًا مراعاة تصميم الدائرة القصيرة بين القطبين الموجب والسالب، والتنبيه بسبب سوء التشغيل، والبقايا المعدنية والعوامل الأخرى التي تؤدي إلى ماس كهربائى للبطارية، مما يتسبب في حوادث السلامة.

عند التصميم الثاني في البطاريات، يجب استخدام الحجاب الحاجز الأكثر أمانًا، مثل المسام المغلقة الأوتوماتيكية لمركب ثلاثي الطبقات عند درجة حرارة عالية للحجاب الحاجز، ولكن في السنوات الأخيرة، مع تحسين كثافة طاقة البطارية، أصبح الحجاب الحاجز رقيقًا في اتجاه أصبح الحجاب الحاجز المركب المكون من ثلاث طبقات قديمًا تدريجيًا، وتم استبداله بطبقة سيراميك للحجاب الحاجز، وطلاء سيراميك لأغراض دعم الحجاب الحاجز، وتقليل انكماش الحجاب الحاجز عند درجات الحرارة المرتفعة، وتحسين الاستقرار الحراري لبطارية الليثيوم أيون وتقليل مخاطر الهروب الحراري لبطارية الليثيوم أيون.

3. تصميم السلامة الحرارية لحزمة البطارية

في الاستخدام، غالبًا ما تتكون بطاريات الليثيوم أيون من عشرات أو مئات أو حتى آلاف البطاريات من خلال التوصيل المتسلسل والمتوازي. على سبيل المثال، تتكون حزمة بطارية Tesla ModelS من أكثر من 7000 بطارية 18650. إذا فقدت إحدى البطاريات التحكم الحراري، فقد ينتشر ذلك في مجموعة البطارية ويسبب عواقب وخيمة. على سبيل المثال، في يناير 2013، اشتعلت النيران في بطارية ليثيوم أيون من طراز Boeing 787 تابعة لشركة يابانية في بوسطن بالولايات المتحدة. وفقا للتحقيق الذي أجراه المجلس الوطني لسلامة النقل، تسببت بطارية ليثيوم أيون مربعة تبلغ سعتها 75 أمبير في حزمة البطارية في حدوث انفلات حراري للبطاريات المجاورة. بعد الحادث، طلبت بوينغ أن تكون جميع حزم البطاريات مجهزة بإجراءات جديدة لمنع الانتشار الحراري غير المنضبط.

من أجل منع الانفلات الحراري من الانتشار داخل بطاريات أيون الليثيوم، قامت شركة AllcellTechnology بتطوير مادة عزل حرارية هاربة PCC لبطاريات أيون الليثيوم بناءً على مواد متغيرة الطور [5]. مادة PCC مملوءة بين بطارية ليثيوم أيون مونومر، في حالة العمل العادي لحزمة بطارية ليثيوم أيون، يمكن تمرير حزمة البطارية في الحرارة من خلال مادة PCC بسرعة إلى الخارج من حزمة البطارية، عند الهروب الحراري في أيون الليثيوم البطاريات، مادة PCC عن طريق ذوبان شمع البارافين الداخلي تمتص الكثير من الحرارة، وتمنع ارتفاع درجة حرارة البطارية بشكل أكبر، وبالتالي تنبيه للحرارة الخارجة عن السيطرة في الانتشار الداخلي لحزمة البطارية. في اختبار الوخز بالإبر، تسبب الهروب الحراري لبطارية واحدة في مجموعة بطارية تتكون من 4 و10 سلاسل من 18650 حزمة بطارية دون استخدام مادة PCC في النهاية في الهروب الحراري لـ 20 بطارية في حزمة البطارية، في حين أن الهروب الحراري لواحدة لم تتسبب البطارية الموجودة في حزمة البطارية المصنوعة من مادة PCC في الانفلات الحراري لحزم البطاريات الأخرى.