نحوه کنترل فرار حرارتی باتری های لیتیوم یونی

1. بازدارنده شعله الکترولیت

بازدارنده های شعله الکترولیت روشی بسیار مؤثر برای کاهش خطر فرار حرارتی باتری ها هستند، اما این بازدارنده های شعله اغلب تأثیر جدی بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری های لیتیوم یونی دارند، بنابراین استفاده از آن در عمل دشوار است. به منظور حل این مشکل، تیم YuQiao [1] از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، با روش بسته‌بندی کپسول، DbA بازدارنده شعله (دی بنزیل آمین) ذخیره شده در داخل میکرو کپسول را به صورت پراکنده در الکترولیت، در زمان‌های عادی تاثیری بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی ظاهر نمی‌شود، اما زمانی که سلول‌ها در اثر نیروی خارجی مانند اکستروژن از بین می‌روند، بازدارنده‌های شعله در این کپسول‌ها آزاد می‌شوند و باتری را مسموم می‌کنند و باعث از کار افتادن آن می‌شوند و در نتیجه به آن هشدار می‌دهند. به فرار حرارتی در سال 2018، تیم YuQiao [2] با استفاده از اتیلن گلیکول و اتیلن دی آمین به عنوان بازدارنده شعله که کپسوله شده و در باتری لیتیوم یونی قرار داده شد، مجدداً از فناوری فوق استفاده کرد که منجر به کاهش 70 درصدی حداکثر دمای باتری لیتیوم یونی در طی تست پین پین، به طور قابل توجهی خطر کنترل حرارتی باتری لیتیوم یون را کاهش می دهد.

روش های ذکر شده در بالا خود تخریب می شوند، به این معنی که با استفاده از بازدارنده شعله، کل باتری لیتیوم یونی از بین می رود. با این حال، تیم AtsuoYamada در دانشگاه توکیو در ژاپن [3] یک الکترولیت بازدارنده شعله ایجاد کردند که بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یون تأثیری نخواهد داشت. در این الکترولیت از غلظت بالایی از NaN(SO2F)2(NaFSA)یاLiN(SO2F)2(LiFSA) به عنوان نمک لیتیوم استفاده شد و یک TMP تری متیل فسفات معمولی بازدارنده شعله به الکترولیت اضافه شد که به طور قابل توجهی پایداری حرارتی را بهبود بخشید. باتری لیتیوم یونی علاوه بر این، افزودن بازدارنده شعله تأثیری بر عملکرد چرخه باتری لیتیوم یونی ندارد. الکترولیت را می توان برای بیش از 1000 سیکل (1200 سیکل C/5، حفظ ظرفیت 95٪) استفاده کرد.

ویژگی‌های بازدارنده شعله باتری‌های لیتیوم یونی از طریق مواد افزودنی یکی از راه‌های هشدار دادن به باتری‌های لیتیوم یونی برای گرم کردن خارج از کنترل است. برخی از افراد همچنین راه جدیدی را برای هشدار دادن به وقوع اتصال کوتاه در باتری‌های یون لیتیومی ناشی از نیروهای خارجی از ریشه پیدا می‌کنند تا به هدف برداشتن قسمت پایین و حذف کامل وقوع گرما از کنترل خارج شوند. با توجه به تأثیر شدید احتمالی باتری‌های لیتیوم یونی در حال استفاده، GabrielM.Veith از آزمایشگاه ملی Oak Ridge در ایالات متحده یک الکترولیت با خاصیت ضخیم شدن برشی طراحی کرد [4]. این الکترولیت از خواص سیالات غیر نیوتنی استفاده می کند. در حالت عادی، الکترولیت مایع است. با این حال، هنگام مواجهه با ضربه ناگهانی، حالت جامد را نشان می دهد، بسیار قوی می شود و حتی می تواند به اثر ضد گلوله دست یابد. از ریشه، خطر فرار حرارتی ناشی از اتصال کوتاه در باتری هنگام برخورد باتری لیتیوم یون برق را هشدار می دهد.

2. ساختار باتری

در مرحله بعد، بیایید نگاهی به نحوه قرار دادن ترمز روی حرارت از سطح سلول های باتری بیاندازیم. در حال حاضر، مشکل فرار حرارتی در طراحی ساختاری باتری های لیتیوم یونی مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان مثال، معمولاً یک شیر کاهش فشار در پوشش بالایی باتری 18650 وجود دارد که می تواند به موقع فشار بیش از حد داخل باتری را در هنگام فرار حرارتی آزاد کند. در مرحله دوم، مواد PTC با ضریب دمایی مثبت در پوشش باتری وجود خواهد داشت. هنگامی که دمای فرار حرارتی افزایش می یابد، مقاومت مواد PTC به طور قابل توجهی افزایش می یابد تا جریان را کاهش دهد و تولید گرما را کاهش دهد. علاوه بر این، در طراحی ساختار باتری تک نیز باید طراحی ضد اتصال کوتاه بین قطب مثبت و منفی، هشدار به دلیل عملکرد نادرست، باقی مانده های فلزی و سایر عواملی که منجر به اتصال کوتاه باتری، ایجاد حوادث ایمنی می شود، در نظر گرفته شود.

هنگام طراحی دوم در باتری ها، باید از دیافراگم ایمن تر مانند منافذ بسته خودکار کامپوزیت سه لایه در دمای بالا دیافراگم استفاده کرد، اما در سال های اخیر با بهبود چگالی انرژی باتری، دیافراگم نازک تحت روند دیافراگم کامپوزیت سه لایه به تدریج منسوخ شده است، با پوشش سرامیکی دیافراگم جایگزین شده است، پوشش سرامیکی برای اهداف پشتیبانی از دیافراگم، کاهش انقباض دیافراگم در دماهای بالا، بهبود پایداری حرارتی باتری لیتیوم یون و کاهش خطر فرار حرارتی باتری لیتیوم یونی

3. طراحی ایمنی حرارتی بسته باتری

در حال استفاده، باتری های لیتیوم یونی اغلب از ده ها، صدها یا حتی هزاران باتری از طریق اتصال سری و موازی تشکیل می شوند. به عنوان مثال، بسته باتری تسلا مدلS از بیش از 7000 باتری 18650 تشکیل شده است. اگر یکی از باتری ها کنترل حرارتی خود را از دست بدهد، ممکن است در بسته باتری پخش شود و عواقب جدی ایجاد کند. به عنوان مثال، در ژانویه 2013، باتری لیتیوم یونی بوئینگ 787 یک شرکت ژاپنی در بوستون، ایالات متحده آتش گرفت. طبق تحقیقات هیئت ملی ایمنی حمل و نقل، یک باتری لیتیوم یون مربعی 75Ah در بسته باتری باعث فرار حرارتی باتری های مجاور شده است. پس از این حادثه، بوئینگ ملزم به تجهیز تمامی بسته‌های باتری به تدابیر جدید برای جلوگیری از انتشار غیرقابل کنترل حرارتی شد.

به منظور جلوگیری از انتشار فرار حرارتی در داخل باتری‌های یون لیتیوم، AllcellTechnology یک ماده جداسازی حرارتی PCC برای باتری‌های یون لیتیوم بر اساس مواد تغییر فاز ایجاد کرد [5]. مواد PCC که بین باتری یون لیتیوم مونومر پر شده است، در صورت کار عادی بسته باتری لیتیوم یونی، بسته باتری در گرما می تواند از طریق مواد PCC به سرعت به خارج از بسته باتری منتقل شود، زمانی که حرارت در یون لیتیوم فرار کند. باتری ها، مواد PCC با ذوب موم پارافین داخلی آن، گرمای زیادی را جذب می کند، از افزایش بیشتر دمای باتری جلوگیری می کند، بنابراین نسبت به گرمای خارج از کنترل در انتشار داخلی بسته باتری هشدار می دهد. در آزمایش سنجاق، خروج حرارتی یک باتری در یک بسته باتری متشکل از 4 و 10 رشته از بسته های باتری 18650 بدون استفاده از مواد PCC در نهایت باعث فرار حرارتی 20 باتری در بسته باتری شد، در حالی که فرار حرارتی یک باتری باتری موجود در بسته باتری ساخته شده از مواد PCC باعث فرار حرارتی سایر بسته های باتری نمی شود.