การหนีความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและการวิเคราะห์วัสดุ

ปัจจุบัน บริษัท รถยนต์หลายแห่งใช้แบตเตอรี่ลิเธียมในแบตเตอรี่พลังงานขนาดใหญ่ และความหนาแน่นของพลังงานก็สูงขึ้นเรื่อยๆ แต่ความปลอดภัยของแบตเตอรี่พลังงานก็ยังคงมีสีสันผู้คน และมันไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ดีต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่รถยนต์ แบตเตอรี่การหนีความร้อนเป็นวัตถุวิจัยหลักด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่พลังงาน และมันก็คุ้มค่าที่จะมุ่งเน้น

ก่อนอื่น เรามาทำความเข้าใจก่อนว่า Thermal Runaway คืออะไรการหนีความร้อนเป็นปรากฏการณ์ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ถูกกระตุ้นโดยทริกเกอร์ต่างๆ ส่งผลให้เกิดความร้อนและก๊าซอันตรายจำนวนมากที่ปล่อยออกมาจากแบตเตอรี่ภายในระยะเวลาอันสั้น ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่ลุกไหม้และระเบิดได้ในกรณีร้ายแรงมีหลายสาเหตุที่ทำให้เกิด Thermal Runaway เช่น ความร้อนสูงเกินไป การชาร์จไฟเกิน การลัดวงจรภายใน การชนกัน เป็นต้น การหนีความร้อนของแบตเตอรี่มักเริ่มต้นจากการสลายฟิล์ม SEI เชิงลบในเซลล์แบตเตอรี่ ตามมาด้วยการสลายตัวและการหลอมละลาย ของไดอะแฟรมส่งผลให้ขั้วลบและอิเล็กโทรไลต์ตามมาด้วยการสลายตัวของทั้งอิเล็กโทรดบวกและอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในขนาดใหญ่ทำให้อิเล็กโทรไลต์ไหม้แล้วแพร่กระจายไปยังเซลล์อื่นทำให้ ความร้อนหลบหนีอย่างรุนแรงและปล่อยให้แบตเตอรี่ทั้งหมดก่อให้เกิดการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเอง

สาเหตุของการหนีความร้อนสามารถแบ่งออกได้เป็นสาเหตุภายในและภายนอกสาเหตุภายในมักเกิดจากการลัดวงจรภายในสาเหตุภายนอกเกิดจากการใช้เครื่องจักรในทางที่ผิด การใช้ไฟฟ้า การใช้ความร้อน ฯลฯ

การลัดวงจรภายในซึ่งเป็นการสัมผัสโดยตรงระหว่างขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ ระดับการสัมผัสจะแตกต่างกันอย่างมากและปฏิกิริยาที่ตามมาจะถูกกระตุ้นโดยปกติแล้วการลัดวงจรภายในขนาดใหญ่ที่เกิดจากการใช้กลไกและความร้อนในทางที่ผิดจะกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความร้อนโดยตรงในทางตรงกันข้าม การลัดวงจรภายในที่เกิดขึ้นเองนั้นค่อนข้างน้อย และความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นมีน้อยมากจนไม่สามารถกระตุ้นการระบายความร้อนในทันทีการพัฒนาตนเองภายในมักรวมถึงข้อบกพร่องจากการผลิต การเสื่อมสภาพของคุณสมบัติต่างๆ ที่เกิดจากการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ เช่น ความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น การสะสมตัวของโลหะลิเธียมที่เกิดจากการใช้งานอย่างผิดวิธีในระยะยาว เป็นต้น เมื่อเวลาผ่านไป ความเสี่ยงของการลัดวงจรภายในที่เกิดจากสาเหตุดังกล่าว เหตุภายในก็จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น

การละเมิดทางกลหมายถึงการเปลี่ยนรูปของโมโนเมอร์แบตเตอรี่ลิเธียมและชุดแบตเตอรี่ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก และการกระจัดสัมพันธ์ของส่วนต่าง ๆ ของตัวเองรูปแบบหลักที่ปะทะเซลล์ไฟฟ้า ได้แก่ การชน การอัดขึ้นรูป และการเจาะทะลุตัวอย่างเช่น วัตถุแปลกปลอมที่ยานพาหนะสัมผัสด้วยความเร็วสูงโดยตรงทำให้เกิดการพังทลายของไดอะแฟรมภายในของแบตเตอรี่ ซึ่งส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในแบตเตอรี่และกระตุ้นให้เกิดการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองภายในระยะเวลาอันสั้น

การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมในทางที่ผิดโดยทั่วไปรวมถึงการลัดวงจรภายนอก การชาร์จไฟมากเกินไป การคายประจุมากเกินไป หลายรูปแบบ ซึ่งมีแนวโน้มมากที่สุดที่จะพัฒนาไปสู่การระบายความร้อนจนเกินประจุไฟฟ้าลัดวงจรภายนอกเกิดขึ้นเมื่อตัวนำสองตัวที่มีแรงดันต่างกันเชื่อมต่ออยู่นอกเซลล์การลัดวงจรภายนอกในชุดแบตเตอรี่อาจเกิดจากการเสียรูปเนื่องจากการชนกันของยานพาหนะ การจมน้ำ การปนเปื้อนของตัวนำไฟฟ้า หรือไฟฟ้าช็อตระหว่างการบำรุงรักษาโดยปกติแล้ว ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการลัดวงจรภายนอกจะไม่ทำให้แบตเตอรี่ร้อนเมื่อเทียบกับการเจาะการเชื่อมโยงที่สำคัญระหว่างการลัดวงจรภายนอกและการหนีความร้อนคืออุณหภูมิถึงจุดที่ร้อนเกินไปเมื่อความร้อนที่เกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรภายนอกไม่สามารถกระจายออกไปได้ดี อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะสูงขึ้น และอุณหภูมิสูงจะทำให้ความร้อนเคลื่อนตัวออกไปดังนั้นการตัดกระแสไฟลัดวงจรหรือการกระจายความร้อนส่วนเกินจึงเป็นวิธียับยั้งการลัดวงจรภายนอกไม่ให้เกิดความเสียหายเพิ่มเติมการชาร์จไฟเกินเนื่องจากการมีพลังงานเต็มถือเป็นหนึ่งในอันตรายสูงสุดจากการใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิดการสร้างความร้อนและก๊าซเป็นคุณสมบัติทั่วไปสองประการของกระบวนการชาร์จไฟเกินการสร้างความร้อนมาจากความร้อนแบบโอห์มมิกและปฏิกิริยาข้างเคียงประการแรก ลิเธียมเดนไดรต์จะเติบโตบนพื้นผิวแอโนดเนื่องจากการฝังลิเธียมมากเกินไป