ทำอย่างไรให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน “ร้อนเกินควบคุม” เพื่อติดตั้งเบรก!

Auctor Iflowpower - Portable Power Station supplementum

ความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ถือเป็นอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรงที่สุดจากการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความร้อนที่ควบคุมไม่ได้มักเกิดจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ไดอะแฟรมถูกทำลาย หรือไดอะแฟรมแตก หรือเกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรภายนอกแบตเตอรี่ ก่อให้เกิดความร้อนในปริมาณมาก ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนในปริมาณมาก ก่อให้เกิดสารออกฤทธิ์ขั้วบวกและขั้วลบและอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเกิดการระเบิดและคุกคามความปลอดภัยต่อชีวิตและทรัพย์สินของผู้ใช้งานเป็นอย่างมาก

ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นสิ่งจำเป็นในการตรวจจับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจำเป็นต้องผ่านการชาร์จไฟเกิน การโอเวอร์โหลด การลัดวงจร และการอัดขึ้นรูป การฝังเข็ม แต่ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของความหนาแน่นพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและความจุของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่จึงผ่านการทดสอบการฝังเข็มได้ยากขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นการทดสอบการฝังเข็มจึงไม่ได้นำไปใช้ใน "ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า" ที่ประกาศในกระทรวงอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีสารสนเทศ อย่างไรก็ตาม เวอร์ชันใหม่ไม่ต้องทำอะไรกับการทดสอบการฝังเข็มเลย หลังจากนั้นไม่สามารถเรียกคืนได้อีก

หากผู้ผลิตสามารถบรรลุความจุขนาดใหญ่ แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงสามารถผ่านการทดสอบการฝังเข็มได้อย่างราบรื่น ก็จะทำให้สามารถแข่งขันได้อย่างมีนัยสำคัญ ข้อดี. วันนี้เราจะมาพูดคุยกันถึงเทคนิคต่างๆ ที่ทำให้ “เบรก” เสีย “เบรก” ให้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1. สารหน่วงไฟแบบอิเล็กโทรไลต์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพอย่างมากในการลดความร้อนของแบตเตอรี่ที่ควบคุมไม่ได้ แต่สารหน่วงไฟเหล่านี้มักส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ดังนั้นจึงยากต่อการนำไปใช้จริง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงาน Yuqiao จาก Sheng Diego รัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศจีน [1] ได้จัดเก็บสารหน่วงไฟ DBA (dibenzylamine) ไว้ภายในไมโครแคปซูลในกรณีของบรรจุภัณฑ์แคปซูล โดยการกระจายตัวในอิเล็กโทรไลต์จะไม่... ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับอิทธิพล แต่เมื่อแบตเตอรี่ถูกทำลายโดยการอัดรีด สารหน่วงไฟในแคปซูลเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมา และแบตเตอรี่ที่มี "พิษ" จะทำให้แบตเตอรี่เสียหาย จึงป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนที่ควบคุมไม่ได้

2018 ทีม Yuqiao [2] ใช้เทคนิคดังกล่าวข้างต้นอีกครั้ง โดยใช้เอทิลีนไกลคอลและเอทิลีนไดอะมีนเป็นสารหน่วงการติดไฟ และส่วนภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่บรรจุอยู่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลดลง 70% ในการทดสอบการฝังเข็ม ลดความเสี่ยงของการเกิดความร้อนเกินการควบคุมของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมาก วิธีการที่กล่าวมาข้างต้นเป็นการทำลายตัวเอง นั่นคือ เมื่อใช้สารหน่วงไฟแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมดจะถูกทิ้ง และทีม Atsuoyamada จากมหาวิทยาลัยโตเกียว ประเทศญี่ปุ่น [3] ได้พัฒนาแบตเตอรี่ไอออนชนิดหนึ่งที่ได้จากอิเล็กโทรไลต์หน่วงไฟลิเธียม โดยสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะใช้ NaN (SO2F) 2 (Nafsa) orlin (SO2F) 2 (LIFSA) ในความเข้มข้นสูงเป็นเกลือลิเธียม และเติมสารหน่วงไฟทั่วไปลงไป

เอสเทอร์ TMP ช่วยปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น การเพิ่มสารหน่วงการติดไฟไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และแบตเตอรี่ที่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์สามารถหมุนเวียนได้อย่างเสถียรมากกว่า 1,000 ครั้ง (C/5) 1,200 ครั้งในการหมุนเวียน อัตราการรักษาความจุ 95%) ผ่านทางสารเติมแต่ง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงมีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดภาวะความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และบางคนก็ใช้วิธีอื่น โดยพยายามป้องกันไม่ให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งเกิดจากสาเหตุหลัก เพื่อให้สามารถเก็บความร้อนที่ก้นกาต้มน้ำได้

ขจัดปัญหาการเกิดความร้อนเกินการควบคุมได้อย่างหมดจด สำหรับกรณีแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไดนามิกที่ใช้งานอาจเผชิญกับแรงกระแทกรุนแรง ตามคำกล่าวของ Gabrielm จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge แห่งอเมริกา Veith ได้ออกแบบอิเล็กโทรไลต์ [4] ที่มีคุณสมบัติในการเพิ่มความหนาแบบเฉือน ซึ่งใช้ประโยชน์จากลักษณะเฉพาะของของเหลวที่ไม่ใช่แบบนิวโทเนียน

ในสถานะปกติ อิเล็กโทรไลต์จะมีสถานะเป็นของเหลว แต่เมื่อเกิดการกระทบกระเทือนอย่างกะทันหัน สถานะของแข็งจะเปลี่ยนเป็นสถานะผิดปกติ และยังสามารถบรรลุผลถึงขั้นกันกระสุนได้ด้วย จากสาเหตุที่แท้จริง ทำให้สามารถป้องกันความเสี่ยงในการสูญเสียความร้อนในแบตเตอรี่ระหว่างการเสียหายของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ 2.

โครงสร้างแบตเตอรี่พาเราไปดูวิธีการให้ความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ โดยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันกำลังพิจารณาถึงปัญหาความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ในการออกแบบโครงสร้าง เช่นเดียวกับในฝาด้านบนของ 18650 โดยทั่วไปจะมีวาล์วระบายแรงดัน และสามารถระบายแรงดันภายในแบตเตอรี่เมื่อความร้อนอยู่นอกการควบคุมได้ วัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก PTC ในฝาด้านบนของแบตเตอรี่ที่สองจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่ออุณหภูมิการสูญเสียความร้อนเพิ่มขึ้น

ลดกระแสเพื่อลดความร้อน นอกจากนี้ ยังมีการพิจารณาการออกแบบไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างขั้วบวกและขั้วลบในการออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่โมโนเมอร์ รวมถึงปัจจัยต่างๆ เช่น ความผิดปกติ สารโลหะ ฯลฯ ที่ทำให้เกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย

ประการที่สอง เมื่อออกแบบแบตเตอรี่ จะใช้ไดอะแฟรมที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น เช่น ไดอะแฟรมคอมโพสิตสามชั้นของรถรับส่งอัตโนมัติที่อุณหภูมิสูง แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง ไดอะแฟรมคอมโพสิตสามชั้นจึงถูกกำจัดออกไป ไดอะแฟรมเคลือบเซรามิกซึ่งค่อย ๆ ถูกกำจัดออกไป สามารถใช้เคลือบเซรามิกเพื่อรองรับไดอะแฟรม ลดการหดตัวของตัวคั่นที่อุณหภูมิสูง ปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ลดความเสี่ยงของความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 3. การออกแบบความปลอดภัยต่อความร้อนของชุดแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมกำลังสูงมักถูกนำมาใช้งานโดยมีแบตเตอรี่หลายร้อยหรือหลายพันก้อนประกอบกันแบบขนาน เช่น ชุดแบตเตอรี่ของ Tesla รุ่นที่มีมากกว่า 7,000 ก้อน

หากส่วนประกอบ 18650 เกิดการเสียหายจากแบตเตอรี่ก้อนใดก้อนหนึ่ง ก็อาจแพร่กระจายไปในแพ็คแบตเตอรี่ และอาจก่อให้เกิดผลร้ายแรงตามมา ตัวอย่างเช่นในเดือนมกราคม 2013 เครื่องบินโดยสารโบอิ้ง 787 ของสายการบินเจแปนแอร์ไลน์ในบอสตัน สหรัฐอเมริกา ซึ่งอิงตามการสืบสวนของคณะกรรมาธิการความปลอดภัยการขนส่งแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา พบว่ามีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทรงสี่เหลี่ยมขนาด 75AH ในชุดแบตเตอรี่ หลังจากสูญเสียการควบคุม ความร้อนของแบตเตอรี่ข้างเคียงที่อยู่นอกการควบคุมก็เพิ่มขึ้น

หลังเกิดเหตุการณ์ดังกล่าว โบอิ้งได้ขอให้มีมาตรการเพิ่มการแพร่กระจายความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ให้กับชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด เพื่อป้องกันความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน US AllCelltechnology จึงได้พัฒนาวัสดุแยกความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยทำจากวัสดุเปลี่ยนเฟส [5] วัสดุ PCC จะถูกเติมระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโมโนเมอร์ ในกรณีที่ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานได้อย่างถูกต้อง ความร้อนจากชุดแบตเตอรี่สามารถส่งผ่านไปยังชุดแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็วผ่านวัสดุ PCC และเมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสูญเสียความร้อน วัสดุ PCC จะถูกละลายผ่านวัสดุพาราฟินเพื่อดูดซับความร้อนจำนวนมาก ป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอีก จึงป้องกันไม่ให้ความร้อนแพร่กระจายอย่างควบคุมไม่ได้ภายในชุดแบตเตอรี่

ในการทดสอบการฝังเข็ม ชุดแบตเตอรี่ที่บรรจุจากแบตเตอรี่ 18650 และเมื่อไม่มีวัสดุ PCC ความร้อนของแบตเตอรี่ที่ควบคุมไม่ได้จะส่งผลให้มีแบตเตอรี่ 20 ก้อนในชุดแบตเตอรี่ และใช้วัสดุ PCC ในชุดแบตเตอรี่ ความร้อนของแบตเตอรี่ที่ควบคุมไม่ได้จะไม่กระตุ้นให้ชุดแบตเตอรี่อื่นๆ เริ่มทำงาน ปัญหาความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ควบคุมไม่ได้เป็นปัญหาที่เรามักพบเมื่อเห็นอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยจากการป้องกันที่เข้มงวดยิ่งขึ้น ปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ป้องกันความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ และการออกแบบการจัดการความร้อนจากการออกแบบสูตรแบตเตอรี่ การออกแบบโครงสร้าง และชุดแบตเตอรี่

ใต้ท่อด้านบน การปรับปรุงร่วมกันของเสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ลดความเป็นไปได้ของการควบคุมการสูญเสียความร้อน .