วิธีควบคุมการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1. สารหน่วงไฟของอิเล็กโทรไลต์

สารหน่วงการติดไฟของอิเล็กโทรไลต์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากในการลดความเสี่ยงของการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ แต่สารหน่วงการติดไฟเหล่านี้มักส่งผลกระทบร้ายแรงต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติ เพื่อที่จะแก้ปัญหานี้ ของทีมมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก YuQiao [1] ด้วยวิธีการบรรจุแบบแคปซูล สารหน่วงไฟ DbA (dibenzyl amine) จะถูกเก็บไว้ในภายในของไมโครแคปซูล ซึ่งกระจัดกระจายอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ใน เวลาปกติจะไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ปรากฏ แต่เมื่อเซลล์ถูกทำลายด้วยแรงภายนอก เช่น การอัดขึ้นรูป สารหน่วงการติดไฟในแคปซูลเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมา ทำให้แบตเตอรี่เป็นพิษและทำให้แบตเตอรี่ทำงานล้มเหลวจึงแจ้งเตือน ไปจนถึงการหนีความร้อน ในปี 2018 ทีมงานของ YuQiao [2] ใช้เทคโนโลยีดังกล่าวอีกครั้ง โดยใช้เอทิลีนไกลคอลและเอทิลีนไดเอมีนเป็นสารหน่วงไฟ ซึ่งถูกห่อหุ้มและใส่เข้าไปในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ส่งผลให้อุณหภูมิสูงสุดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลดลง 70% ระหว่าง การทดสอบพินพินช่วยลดความเสี่ยงในการควบคุมความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมาก

วิธีการดังกล่าวข้างต้นเป็นการทำลายตัวเอง ซึ่งหมายความว่าเมื่อใช้สารหน่วงไฟ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมดจะถูกทำลาย อย่างไรก็ตาม ทีมงานของ AtsuoYamada ที่มหาวิทยาลัยโตเกียวในประเทศญี่ปุ่น [3] ได้พัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่หน่วงไฟซึ่งจะไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในอิเล็กโทรไลต์นี้ ความเข้มข้นสูงของ NaN(SO2F)2(NaFSA)หรือLiN(SO2F)2(LiFSA) ถูกใช้เป็นเกลือลิเธียม และเติมไตรเมทิลฟอสเฟต TMP ที่หน่วงการติดไฟทั่วไปลงในอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ยิ่งไปกว่านั้น การเติมสารหน่วงไฟไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพวงจรของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อิเล็กโทรไลต์สามารถใช้ได้มากกว่า 1,000 รอบ (1200 C/5 รอบ, การเก็บรักษาความจุ 95%)

คุณลักษณะสารหน่วงไฟของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนผ่านสารเติมแต่งเป็นวิธีหนึ่งในการแจ้งเตือนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้ร้อนเกินการควบคุม บางคนยังพบวิธีใหม่ในการพยายามแจ้งเตือนการเกิดไฟฟ้าลัดวงจรในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เกิดจากแรงภายนอกจากราก เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการถอดด้านล่างและกำจัดการเกิดความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบรุนแรงที่อาจเกิดขึ้นจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้งานอยู่ GabrielM.Veith จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ในสหรัฐอเมริกาได้ออกแบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีคุณสมบัติทำให้หนาขึ้นด้วยแรงเฉือน [4] อิเล็กโทรไลต์นี้ใช้คุณสมบัติของของไหลที่ไม่ใช่ของนิวตัน ในสภาวะปกติ อิเล็กโทรไลต์จะเป็นของเหลว อย่างไรก็ตาม เมื่อเผชิญกับแรงกระแทกอย่างกะทันหัน มันจะเกิดสภาวะที่มั่นคง แข็งแกร่งอย่างมาก และยังสามารถบรรลุผลของการป้องกันกระสุนได้อีกด้วย จากต้นตอ จะแจ้งเตือนความเสี่ยงของความร้อนที่เกิดจากการลัดวงจรในแบตเตอรี่เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนกัน

2. โครงสร้างแบตเตอรี่

ต่อไปเรามาดูวิธีการเบรกเมื่อระบายความร้อนจากระดับเซลล์แบตเตอรี่ ปัจจุบันปัญหาการหนีความร้อนได้รับการพิจารณาในการออกแบบโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่น โดยปกติจะมีวาล์วระบายแรงดันอยู่ที่ฝาครอบด้านบนของแบตเตอรี่ 18650 ซึ่งสามารถปล่อยแรงดันส่วนเกินภายในแบตเตอรี่ได้ทันเวลาเมื่อความร้อนหมด ประการที่สอง จะมีวัสดุ PTC สัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวกอยู่ในฝาครอบแบตเตอรี่ เมื่ออุณหภูมิหนีความร้อนเพิ่มขึ้น ความต้านทานของวัสดุ PTC จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเพื่อลดกระแสและลดการสร้างความร้อน นอกจากนี้ ในการออกแบบโครงสร้างของแบตเตอรี่เดี่ยวควรคำนึงถึงการออกแบบป้องกันการลัดวงจรระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ การแจ้งเตือนเนื่องจากการทำงานผิดพลาด โลหะตกค้าง และปัจจัยอื่น ๆ ที่ส่งผลให้แบตเตอรี่ลัดวงจร ทำให้เกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย

เมื่อออกแบบแบตเตอรี่ครั้งที่สอง ต้องใช้ไดอะแฟรมที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น เช่น ไดอะแฟรมปิดรูพรุนอัตโนมัติของคอมโพสิตสามชั้นที่อุณหภูมิสูง แต่ในปีที่ผ่านมา ด้วยการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ ไดอะแฟรมบางภายใต้แนวโน้มของ ไดอะแฟรมคอมโพสิตสามชั้นค่อยๆ ล้าสมัย แทนที่ด้วยการเคลือบเซรามิกของไดอะแฟรม การเคลือบเซรามิกเพื่อรองรับไดอะแฟรม ลดการหดตัวของไดอะแฟรมที่อุณหภูมิสูง ปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และลดความเสี่ยงของ การหนีความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

3. การออกแบบความปลอดภัยด้านความร้อนของแบตเตอรี่

ในการใช้งาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักประกอบด้วยแบตเตอรี่หลายสิบ หลายร้อยหรือหลายพันก้อนผ่านการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน ตัวอย่างเช่น ชุดแบตเตอรี่ของรุ่น Tesla ประกอบด้วยแบตเตอรี่มากกว่า 7,000 18650 หากแบตเตอรี่ก้อนใดก้อนหนึ่งสูญเสียการควบคุมความร้อน แบตเตอรี่อาจแพร่กระจายในชุดแบตเตอรี่และทำให้เกิดผลร้ายแรง ตัวอย่างเช่น ในเดือนมกราคม 2013 แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโบอิ้ง 787 ของบริษัทญี่ปุ่นเกิดไฟไหม้ในเมืองบอสตัน ประเทศสหรัฐอเมริกา จากการสอบสวนของคณะกรรมการความปลอดภัยการขนส่งแห่งชาติ พบว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสี่เหลี่ยมขนาด 75Ah ในชุดแบตเตอรี่ทำให้เกิดการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ที่อยู่ติดกัน หลังเหตุการณ์ดังกล่าว โบอิ้งจำเป็นต้องติดตั้งชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดด้วยมาตรการใหม่เพื่อป้องกันการแพร่กระจายความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้

เพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนแพร่กระจายภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน AllcellTechnology ได้พัฒนา PCC วัสดุแยกความร้อนสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยอิงจากวัสดุเปลี่ยนเฟส [5] วัสดุ PCC ที่เติมระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโมโนเมอร์ ในกรณีของการทำงานปกติของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ชุดแบตเตอรี่ในความร้อนสามารถส่งผ่านวัสดุ PCC ไปยังด้านนอกของชุดแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว เมื่อความร้อนในลิเธียมไอออนหลุดออกไป แบตเตอรี่ วัสดุ PCC โดยขี้ผึ้งพาราฟินภายในละลายดูดซับความร้อนจำนวนมาก ป้องกันไม่ให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอีก จึงแจ้งเตือนความร้อนออกจากการควบคุมในการแพร่กระจายภายในของก้อนแบตเตอรี่ ในการทดสอบแบบ pinprick การหนีความร้อนของแบตเตอรี่หนึ่งก้อนในชุดแบตเตอรี่ที่ประกอบด้วยชุดแบตเตอรี่ 18650 จำนวน 4 และ 10 สายโดยไม่ใช้วัสดุ PCC ในที่สุดก็ทำให้การหนีความร้อนของแบตเตอรี่ 20 ก้อนในชุดแบตเตอรี่ ในขณะที่การหนีความร้อนของแบตเตอรี่หนึ่งก้อน แบตเตอรี่ในชุดแบตเตอรี่ที่ทำจากวัสดุ PCC ไม่ทำให้เกิดการระบายความร้อนของแบตเตอรี่อื่นๆ