Если вас интересуют литиевые батареи, то вы, вероятно, слышали о тепловом разгоне и потенциальных опасностях, связанных с ним. Тепловой разгон — это явление, которое происходит, когда батарея перегревается и выделяет горючие газы. Эти газы могут воспламеняться, вызывая пожар или взрыв. Литий-ионные батареи особенно подвержены тепловому разгону из-за их высокой плотности энергии.

Чтобы предотвратить тепловой разгон, важно понимать, как он происходит и какие факторы влияют на его серьезность. Вот где вступает в дело анализ газовых выбросов при тепловом разгоне литиевых батарей . Изучая газы, выделяемые при тепловом разгоне, исследователи могут получить представление о базовых механизмах и определить потенциальные решения для снижения риска. На эту тему было проведено несколько исследований, в том числе одно, которое обнаружило критический порог для бурной реакции теплового разгона, и другое, которое предложило стандартизированный метод испытаний для оценки опасности возгорания литий-ионной батареи, подвергшейся тепловому разгону.

Основы работы литиевых батарей

Химический состав

Литий-ионные аккумуляторы (LIB) состоят из нескольких компонентов, включая катод, анод и электролит. Катод и анод изготавливаются из различных материалов, и выбор материалов зависит от конкретного применения аккумулятора. Электролитом обычно является литиевая соль, растворенная в органическом растворителе. Химические реакции, происходящие во время работы аккумулятора, включают перемещение ионов лития между катодом и анодом через электролит.

Электрические характеристики

LIB известны своей высокой плотностью энергии, что означает, что они могут хранить большое количество энергии в относительно небольшом корпусе. Они также имеют высокое напряжение, обычно около 3,7 вольт на элемент. Напряжение батареи зависит от материалов, используемых в катоде и аноде, а также от электролита. LIB имеют относительно низкое внутреннее сопротивление, что означает, что они могут выдавать высокие токи, когда это необходимо.

Тепловые свойства

Одной из проблем проектирования LIB является управление теплом, выделяемым во время работы. LIB могут выделять тепло из-за различных факторов, включая внутреннее сопротивление, зарядку и разрядку, а также перезарядку. Если тепло не рассеивается достаточно быстро, это может привести к перегреву батареи и потенциальному возгоранию или взрыву. Одним из ключевых факторов в управлении теплом, выделяемым батареей, является теплопроводность материалов, используемых в батарее. Материалы с высокой теплопроводностью могут рассеивать тепло быстрее, снижая риск теплового разгона.

В целом, понимание химического состава, электрических характеристик и тепловых свойств LIB необходимо для проектирования безопасных и надежных батарей. Тщательно выбирая материалы и управляя теплом, выделяемым во время работы, можно создавать батареи, которые отвечают потребностям широкого спектра применений.

Механизмы теплового разгона

Тепловой разгон литиевой батареи может быть вызван различными событиями, такими как перезарядка, внешний нагрев, внутреннее короткое замыкание и механическое повреждение батареи. После запуска тепловой разгон характеризуется серией экзотермических реакций, которые генерируют тепло, газ и пламя. Эти реакции могут распространяться по батарее и вызывать ее разрыв, выброс газа или взрыв.

Инициирующие события

Перезарядка — одно из наиболее распространенных событий, которое может вызвать тепловой разгон. Когда литиевая батарея перезаряжена, ее напряжение превышает безопасный предел, что приводит к разложению электролита и выделению кислорода. Этот кислород может вступить в реакцию с катодом батареи и вызвать экзотермическую реакцию, которая генерирует тепло и газ. Внешний нагрев также может вызвать тепловой разгон, повышая температуру батареи выше безопасного предела и вызывая кипение электролита и выделение газа.

Внутреннее короткое замыкание — еще одно событие, которое может вызвать тепловой разгон. Когда электроды литиевой батареи соприкасаются из-за производственного дефекта или механического повреждения, через батарею может протекать большой ток, что приводит к ее нагреву и выделению газа. Механическое повреждение батареи, такое как прокол или раздавливание, также может вызвать внутреннее короткое замыкание и вызвать тепловой разгон.

Экзотермические реакции

Экзотермические реакции, происходящие при тепловом разгоне, можно разделить на две категории: те, в которых участвует электролит, и те, в которых участвует электрод. Электролитные реакции обычно включают разложение растворителя и окисление литиевой соли, что приводит к образованию тепла, газа и горючих паров. Электродные реакции обычно включают окисление катода и восстановление анода, что также приводит к образованию тепла, газа и горючих паров.

Факторы распространения

После того, как тепловой разгон срабатывает, он может распространяться по батарее из-за различных факторов, таких как тепловая обратная связь, выделение газа и механическая деформация. Тепловая обратная связь происходит, когда тепло, выделяемое экзотермическими реакциями, повышает температуру соседних ячеек, заставляя их также подвергаться тепловому разгону. Выделение газа происходит, когда экзотермические реакции генерируют газ, который увеличивает давление внутри батареи, вызывая ее разрыв или выброс газа. Механическая деформация происходит, когда давление внутри батареи заставляет ее расширяться или сжиматься, что может повредить электроды и вызвать больше экзотермических реакций.

Методы анализа газа

При анализе отводного газа от теплового разгона литиевой батареи существует несколько методов анализа газа. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, а выбор метода зависит от конкретных требований анализа.

Газовая хроматография

Газовая хроматография — широко используемый метод анализа состава отходящего газа, образующегося в результате теплового разгона. В этом методе отходящий газ пропускается через колонку, заполненную неподвижной фазой, и различные компоненты газа разделяются на основе их химических свойств. Затем разделенные компоненты обнаруживаются с помощью детектора, например, масс-спектрометра или пламенно-ионизационного детектора.

Масс-спектрометрия

Масс-спектрометрия — еще один мощный метод анализа состава вентиляционного газа, образующегося в результате теплового разгона. В этом методе вентиляционный газ ионизируется, а затем пропускается через магнитное поле, которое разделяет ионы на основе их отношения массы к заряду. Затем разделенные ионы обнаруживаются с помощью детектора, например электронного умножителя или ионного коллектора.

Методы спектроскопии

Методы спектроскопии, такие как спектроскопия комбинационного рассеяния и инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (ИКФП), также полезны для анализа состава отходящего газа от события теплового разгона. В спектроскопии комбинационного рассеяния лазер используется для возбуждения молекул в газе, а рассеянный свет анализируется для определения колебательных мод молекул. В ИКФП-спектроскопии газ пропускается через инфракрасный луч, и поглощение инфракрасного излучения газом измеряется для определения химического состава газа.

В целом, выбор метода газового анализа зависит от конкретных требований анализа, таких как чувствительность, селективность и скорость анализа. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и важно выбрать правильный метод для конкретного применения.

Стратегии безопасности и профилактики

Тепловой разгон литиевой батареи может привести к катастрофическому пожару или взрыву, поэтому важно внедрять стратегии безопасности и профилактики. Существует несколько стратегий, которые можно использовать для предотвращения теплового разгона, включая усовершенствование конструкции батареи, системы терморегулирования и нормативные стандарты.

Улучшения конструкции аккумулятора

Улучшения конструкции аккумулятора могут помочь предотвратить тепловой разгон за счет снижения риска внутренних коротких замыканий и улучшения рассеивания тепла. Один из способов достижения этого — использование материалов, которые менее склонны к тепловому разгону, таких как твердотельные электролиты. Другой способ — улучшить механическую устойчивость аккумулятора за счет использования более прочных и долговечных материалов.

Системы терморегулирования

Системы терморегулирования могут помочь предотвратить тепловой разгон, контролируя температуру батареи. Один из способов достижения этого — использование активных систем охлаждения, таких как жидкостное охлаждение или принудительное воздушное охлаждение. Другой способ — использование пассивных систем охлаждения, таких как материалы с фазовым переходом или тепловые трубки.

Нормативные стандарты

Нормативные стандарты могут помочь предотвратить тепловой разгон, устанавливая требования безопасности для батарей. Эти стандарты могут включать требования к тестированию батарей, маркировке безопасности и правилам транспортировки. Некоторые примеры нормативных стандартов для литиевых батарей включают стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК) 62133 и Руководство ООН по испытаниям и критериям.

Внедрение этих мер безопасности и профилактики может помочь снизить риск теплового разгона литиевых батарей. Улучшая конструкцию батарей, внедряя системы терморегулирования и соблюдая нормативные стандарты, вы можете помочь обеспечить безопасность ваших литиевых батарей.

Анализ случаев и отчеты об инцидентах

Анализ исторических инцидентов

Литий-ионные аккумуляторы были связаны с несколькими инцидентами, включая пожар Boeing 787 Dreamliner в 2013 году в международном аэропорту Логан в Бостоне, отзыв Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году и пожар Tesla Model S в 2019 году. Эти инциденты привлекли внимание к потенциальным опасностям, связанным с литий-ионными аккумуляторами, особенно когда речь идет о тепловом разгоне.

В случае с пожаром Boeing 787 Dreamliner инцидент был отслежен до одного элемента аккумулятора, который вышел из строя из-за перегрева. Инцидент привел к приостановке полетов всего парка самолетов 787 до тех пор, пока проблема не будет решена.

Аналогичным образом отзыв Samsung Galaxy Note 7 был вызван конструктивным недостатком, который привел к короткому замыканию элементов аккумулятора, что привело к тепловому разгону. Отзыв привел к возврату миллионов устройств и значительным финансовым потерям для Samsung.

Недавние технологические неудачи

За последние годы произошло несколько инцидентов с литий-ионными аккумуляторами в электромобилях. Например, в 2018 году в Калифорнии загорелся Tesla Model S, а в 2019 году на парковке в Шанхае загорелся припаркованный Tesla Model S. В обоих случаях причиной пожаров стали неисправности аккумуляторов.

В 2020 году General Motors отозвала почти 70 000 электромобилей Chevrolet Bolt из-за риска возгорания аккумуляторов. Отзыв был вызван сообщениями о пяти возгораниях аккумуляторов, которые были отнесены к дефектам в аккумуляторных батареях.

Результаты профилактических мер

Для предотвращения подобных инцидентов были реализованы различные меры, включая использование систем управления аккумуляторными батареями, систем терморегулирования и усовершенствованных конструкций аккумуляторных батарей. Например, Tesla внедрила систему терморегулирования, которая помогает регулировать температуру ячеек аккумуляторной батареи, снижая риск теплового разгона.

Кроме того, Национальный совет по безопасности на транспорте (NTSB) рекомендовал Федеральному управлению гражданской авиации (FAA) потребовать от производителей включать системы смягчения теплового разгона в конструкции литий-ионных аккумуляторов. Эта рекомендация была сделана в ответ на инцидент с Boeing 787 Dreamliner.

В целом, хотя литий-ионные батареи были связаны с несколькими инцидентами, были приняты превентивные меры для снижения риска теплового разгона. Тем не менее, важно продолжать контролировать и повышать безопасность батарей, чтобы предотвратить будущие инциденты.