Повышение безопасности аккумуляторов: самозатухающие электролиты для предотвращения пожара
Чтобы повысить безопасность аккумуляторов и снизить риск возгорания, исследователи заменили горючие электролиты негорючими самозатухающими электролитами.
Возгорание электромобиля
Почему и как загораются литий-ионные аккумуляторы?
Основной причиной возгорания литий-ионных аккумуляторов является легковоспламеняющийся электролит, использованный в их конструкции. Этот электролит, обычно состоящий из соли лития, растворенной в органическом растворителе, может воспламениться при определенных условиях, что приводит к тепловому выходу из строя (быстрому и неконтролируемому повышению температуры внутри батареи).
Тепловой разгон вызван внутренними короткими замыканиями, перегрузкой, физическим повреждением, воздействием тепла или производственными дефектами. Учитывая высокую плотность энергии, связанную с литий-ионами, любая из этих возможностей может привести к их воспламенению и потенциально привести к пожару или мощному взрыву. Более того, риск сильного возгорания увеличивается пропорционально размеру батареи.
Образование дендритов.
Еще одна проблема безопасности возникает, когда литий-ионные аккумуляторы подвергаются быстрой зарядке, что приводит к химическим реакциям, в результате которых на отрицательном электроде батареи образуются острые игольчатые литиевые образования, называемые дендритами. По конструкции сепаратор внутри литий-ионных аккумуляторов предотвращает внутренний поток электронов между анодом и катодом. Однако со временем эти дендриты могут повредить сепаратор, вызывая внутренние короткие замыкания и последующий перегрев.
Учитывая повсеместное распространение литий-ионных аккумуляторов, их конструкция и устройство должны обеспечивать баланс между соображениями безопасности, плотностью энергии и требованиями к производительности. Здесь сложной задачей является разработка более безопасных составов электролитов, не склонных к температурному выходу из-под контроля.
Устройство самозатухающего электролита
В электролитах большинство известных негорючих органических растворителей содержат фтор и фосфор, которые увеличивают стоимость электролита и потенциальный вред окружающей среде. Однако в недавней разработке исследователи из Университета Клемсона решили вопрос уменьшения количества случаев возгорания литий-ионных аккумуляторов путем разработки самозатухающего аккумулятора.
Команда заменила горючий электролит материалами из коммерческого огнетушителя. В частности, их конструкция направлена на снижение воспламеняемости широко используемого растворителя глима за счет введения фторированной жидкости и неполярного растворителя, известных как охлаждающая жидкость Novec 7300 и Daikin-T5216 соответственно.
Команда протестировала эффективность состава электролита в широком диапазоне температур, примерно от -100 до +175F. В ходе тщательного тестирования они подвергли батареи испытанию на проникновение гвоздя — распространенному методу оценки безопасности литий-ионных батарей. Этот тест имитирует внутреннее короткое замыкание путем вбивания гвоздя из нержавеющей стали в заряженную батарею. Примечательно, что батареи команды выдержали удар, не загоревшись.
Снижение риска возгорания с помощью более качественных батарей
Исследование группы Клемсона по самозатухающим перезаряжаемым батареям знаменует собой значительный прогресс в технологии безопасности аккумуляторов, обещающий снизить риски возгорания, связанные с литий-ионными батареями в различных приложениях. Разработав самозатухающие перезаряжаемые батареи, команда надеется проложить путь к более безопасным батареям для общественного потребления, которые при этом будут дешевле и будут производиться из более экологически чистых источников.
