Nykyään useat autovalmistajat käyttävät litium-akkuja laajasti akuissaan, ja energiatiheys kasvaa jatkuvasti, mutta ihmiset ovat edelleen huolissaan akkujen turvallisuudesta, eikä se ole hyvä ratkaisu akkujen turvallisuuteen. Lämpöpurkaus on akkujen turvallisuuden tärkein tutkimuskohde, ja siihen kannattaa keskittyä.
Ensinnäkin, ymmärretään, mitä lämpöpurkaus on. Lämpöpurkaus on ketjureaktioilmiö, jonka laukaisevat useat eri tekijät. Se johtaa akun lyhyessä ajassa vapauttamaan suuren määrän lämpöä ja haitallisia kaasuja, mikä voi vakavissa tapauksissa jopa aiheuttaa akun syttymisen tuleen ja räjähtämisen. Lämpöpurkaukselle on monia syitä, kuten ylikuumeneminen, ylilataus, sisäinen oikosulku, törmäys jne. Akun lämpöpurkaus alkaa usein akun kennon negatiivisen SEI-kalvon hajoamisesta, jota seuraa kalvon hajoaminen ja sulaminen, mikä johtaa negatiivisen elektrodin ja elektrolyytin hajoamiseen, ja sen jälkeen sekä positiivisen elektrodin että elektrolyytin hajoamiseen, mikä laukaisee laajamittaisen sisäisen oikosulun, jolloin elektrolyytti palaa ja leviää sitten muihin kennoihin aiheuttaen vakavan lämpöpurkauksen ja koko akun itsesyttymisen.
Lämpöpurkauksen syyt voidaan jakaa sisäisiin ja ulkoisiin syihin. Sisäiset syyt johtuvat usein sisäisistä oikosuluista; ulkoiset syyt johtuvat mekaanisesta rasituksesta, sähkörasituksesta, lämpörasituksesta jne.
Sisäinen oikosulku, joka tarkoittaa akun positiivisen ja negatiivisen navan välistä suoraa kosketusta, vaihtelee suuresti kosketuksen voimakkuuden ja sitä seuraavan laukaisevan reaktion suhteen. Yleensä mekaanisen ja termisen rasituksen aiheuttama massiivinen sisäinen oikosulku laukaisee suoraan lämpöpurkauksen. Sen sijaan itsestään kehittyvät sisäiset oikosulut ovat suhteellisen pieniä, ja niiden tuottama lämpö on niin pientä, ettei se laukaise lämpöpurkausta välittömästi. Sisäiseen oikosulkuun liittyy yleisesti valmistusvirheitä, akun ikääntymisestä johtuvia ominaisuuksien heikkenemistä, kuten lisääntynyttä sisäistä resistanssia, pitkäaikaisesta lievästä väärinkäytöstä johtuvia litiummetallikerrostumia jne. Ajan kuluessa tällaisten sisäisten syiden aiheuttaman sisäisen oikosulun riski kasvaa vähitellen.
Mekaaninen rasitus tarkoittaa litium-akun monomeerin ja akkupakkauksen muodonmuutosta ulkoisen voiman vaikutuksesta sekä akkujen eri osien suhteellista siirtymistä. Tärkeimpiä sähkökennoon kohdistuvia rasituksia ovat törmäys, puristuminen ja puhkeaminen. Esimerkiksi ajoneuvon osuma suurella nopeudella vierasesineeseen johti suoraan akun sisäisen kalvon romahtamiseen, mikä puolestaan aiheutti oikosulun akun sisällä ja laukaisi itsesyttymisen lyhyessä ajassa.
Litiumakkujen sähköinen väärinkäyttö sisältää yleensä ulkoisen oikosulun, ylilatauksen ja ylipurkauksen, jotka todennäköisimmin kehittyvät lämpöpurkaukseksi ja ylilataukseksi. Ulkoinen oikosulku tapahtuu, kun kaksi paine-eroa omaavaa johdinta on kytketty toisiinsa kennon ulkopuolella. Akkuyksiköiden ulkoiset oikosulut voivat johtua ajoneuvojen törmäysten, veteen upottamisen, johtimen likaantumisen tai huollon aikana tapahtuvan sähköiskun aiheuttamasta muodonmuutoksesta. Tyypillisesti ulkoisesta oikosulusta vapautuva lämpö ei lämmitä akkua, toisin kuin puhkeaminen. Tärkeä yhteys ulkoisen oikosulun ja lämpöpurkauksen välillä on lämpötilan saavuttaminen ylikuumenemispisteeseen. Juuri silloin, kun ulkoisen oikosulun tuottama lämpö ei pääse haihtumaan hyvin, akun lämpötila nousee ja korkea lämpötila laukaisee lämpöpurkauksen. Siksi oikosulkuvirran katkaiseminen tai ylimääräisen lämmön johtaminen ovat tapoja estää ulkoista oikosulkua aiheuttamasta lisävaurioita. Ylikuormitus on yksi suurimmista sähkön väärinkäytön vaaroista, koska se on täynnä energiaa. Lämmön ja kaasun muodostuminen ovat kaksi yleistä piirrettä ylilatausprosessissa. Lämmön muodostuminen johtuu ohmisesta lämmöstä ja sivureaktioista. Ensinnäkin litiumdendriitit kasvavat anodin pinnalle liiallisen litiumin upotuksen vuoksi.
Lämpöpurkauksen suojaustoimenpiteet:
Ytimen itse tuottaman lämmön vaiheessa lämpöpurkauksen estämiseksi meillä on kaksi vaihtoehtoa: ytimen materiaalin parantaminen ja päivittäminen. Lämpöpurkauksen ydin on pääasiassa positiivisten ja negatiivisten elektrodimateriaalien ja elektrolyytin vakaus. Tulevaisuudessa meidän on myös tehtävä suurempia läpimurtoja katodimateriaalien pinnoituksessa, modifioinnissa, homogeenisen elektrolyytin ja elektrodin yhteensopivuudessa sekä ytimen lämmönjohtavuuden parantamisessa. Tai valita elektrolyytti, jolla on korkea turvallisuus palonestoaineen vaikutuksen aikaansaamiseksi. Toiseksi on tarpeen ottaa käyttöön tehokkaita lämmönhallintaratkaisuja (PTC-jäähdytysnesteen lämmitin/ PTC-ilmalämmitin) ulkopuolelta litiumioniakun lämpötilan nousun estämiseksi, jotta kennon SEI-kalvo ei nouse liukenemislämpötilaan eikä luonnollisestikaan tapahdu lämpöpurkausta.
Julkaisun aika: 17.3.2023
