Sudah waktunya: 6 fase perambatan termal yang tidak terkendali

Propagasi termal yang tidak terkendali merupakan tantangan yang kompleks. Apa pun kimia sel atau arsitektur kemasannya, baterai litium-ion berisiko mengalami peristiwa pelepasan panas. Meskipun tidak ada solusi yang universal, insinyur baterai tidak perlu menemukan kembali roda ketika mengembangkan solusi untuk memenuhi persyaratan keselamatan kritis. Dengan memahami seluk-beluk setiap tahap pelarian termal, para insinyur dapat menemukan faktor mana yang harus digunakan untuk mencapai tujuan kinerja dan keselamatan mereka.

Apa itu Pelarian Termal?

Baterai litium-ion menghasilkan sedikit panas selama siklusnya. Reaksi kimia di dalam sel dapat dipercepat jika dipicu oleh faktor mekanis (misalnya sel tertusuk), listrik (misalnya pengisian daya yang berlebihan), dan penyalahgunaan suhu (misalnya panas berlebih). Ketika suhu meningkat, sel kehilangan kemampuan untuk menghilangkan panas, yang dapat mengakibatkan sel terbakar (yaitu, pelepasan panas). Pelarian termal dalam satu sel merupakan peristiwa pemeliharaan namun dapat dengan cepat menyebar ke sel lain — perambatan termal – yang merupakan masalah keamanan.

Propagasi Termal Dalam Skala Waktu Pendek dan Panjang

Pedoman saat ini merekomendasikan bahwa semua penumpang harus dapat keluar dari kendaraan dengan aman dalam lima menit pertama setelah kejadian thermal runaway terdeteksi. Ketika para insinyur baterai lebih memahami teknologi ini, peraturan yang lebih ketat dan jadwal yang lebih panjang mungkin akan segera terjadi. Tujuan utamanya adalah menciptakan sistem non-propaganda, namun perjalanan industri ini masih panjang.

Jangka Pendek

Beberapa menit pertama peristiwa pelarian termal bersifat eksplosif dan penuh kekerasan. Memahami mekanisme ini sangat penting untuk memitigasi perambatan termal guna memenuhi peraturan lima menit.

1. Konduksi Sel ke Sel

Konduksi sel terjadi ketika energi dari sel pemicu ditransfer ke sel yang berdekatan melalui kontak tatap muka. Panas yang dihasilkan di dalam sel kantong dan sel prismatik dibagi dengan dua sel yang berdekatan, sedangkan sel silinder umumnya akan berbagi dengan enam sel tetangganya (meskipun ada efek tepi/sudut).

Penghalang sel-ke-sel (C2C) yang efektif adalah garis pertahanan pertama untuk melawan penyebaran panas, berfungsi sebagai penghalang antar sel yang berdekatan. Ini harus menjadi penghalang konduktif, isolator, atau firewall antar sel. Selama pelarian termal, peran penghalang C2C adalah melindungi sel-sel yang berdekatan dari sel pemicu. Ini harus setipis mungkin, memberikan ketahanan termal yang sangat tinggi saat dikompresi, dan tahan suhu 850°C atau lebih tinggi.

PyroThin adalah penghalang sel-ke-sel yang terdepan di industri karena memberikan perlindungan termal dan mekanis pada seluruh siklus hidup kendaraan dalam format yang sangat tipis dan ringan. Teknologi aerogel unik Aspen memungkinkan PyroThin untuk bertindak sebagai bantalan kompresi dan penghalang api. PyroThin adalah platform merdu yang dapat disesuaikan untuk memenuhi persyaratan termal, respons kompresi, dan ketebalan.

2. Pembakaran Primer

Pengelolaan gas adalah kunci untuk membuat desain non-propagasi. Pengusiran gas dari sel terjadi dalam dua langkah:

• Selama pembakaran primer semua reaktan untuk proses pembakaran berasal dari dalam sel. Pembakaran primer biasanya dimulai di dalam sel dan kemudian dapat bertransisi ke luar saat reaktan dikeluarkan.
• Pembakaran sekunder terjadi ketika bahan panas dan kaya bahan bakar di dalam sel dikeluarkan dan bereaksi hebat dengan udara di ruang kepala di atas sel.

Pengelolaan gas sangat penting untuk memperpanjang waktu tunda propagasi melampaui ambang batas lima menit. Jika tidak dikontrol dengan baik, gas panas dapat dengan cepat menyebar ke bagian atas dan samping modul, secara langsung memicu sel-sel di dekatnya, dan menyebabkan hubungan arus pendek pada semua mekanisme perlindungan lainnya.

3. Ejeksi Partikulat Panas

Selain melepaskan gas panas dari sel secara tidak terkendali, sering kali terjadi pelepasan partikulat panas dengan kecepatan tinggi termasuk aluminium cair, potongan plastik yang meleleh atau terkarbonisasi, dan bongkahan tembaga padat. Partikel-partikulat ini membuat masalah pengelolaan gas semakin sulit karena menyebabkan daerah sekitar terkena panas dan ledakan erosif terkonsentrasi selama 60 detik.

Jangka panjang

Berisi peristiwa pelarian termal dengan PyroThin bisa seperti menangkap binatang liar - hal ini menimbulkan pertanyaan: “Sekarang bagaimana?” Semua energi panas tersebut masih harus dikuras habis, dan ada banyak cara untuk menghilangkannya. Seperti dijelaskan di bawah, setiap jalur harus dikontrol, sehingga semua panas yang terkandung tidak mengalir ke sel yang berdekatan.

4. Jalur Konduktif Sekunder Dimulai

Ketika peristiwa perambatan termal berlangsung lebih lama, jalur konduksi sekunder menjadi penting dan terdapat banyak jalur, termasuk:

• Batang bus sering kali terbuat dari aluminium atau tembaga, menjadikannya konduktor listrik yang baik. Bus bar menyediakan jalur dari satu tab sel ke tab sel tetangganya. Penghalang sel-ke-sel tidak berdampak apa-apa pada jembatan termal ini karena tidak melampaui profil sel.
• Pelat pendingin, aktif atau tidak aktif, umumnya berupa lembaran aluminium besar. Ini membentuk jalur yang membuat terowongan di bawah penghalang C2C, melewatinya sebagai jembatan termal.

5. Konveksi Alami Melintasi Celah Udara

Konveksi alami (berlawanan dengan konveksi yang digerakkan oleh tekanan selama ventilasi aktif) terjadi ketika produk pembakaran panas menyebar ke seluruh modul, secara langsung memanaskan sel yang berdekatan.

6. Pendinginan Aktif

Pendinginan aktif adalah hal yang tidak bisa dilakukan karena sistem manajemen termal kendaraan mungkin tidak selalu utuh dan berfungsi, terutama dalam skenario pasca kecelakaan. Jika tersedia, sistem pendingin aktif dapat – dalam jangka waktu yang cukup lama – menyerap panas berlebih dan membuangnya dengan aman. Sistem manajemen termal umumnya tidak efektif selama periode lima menit awal terjadinya peristiwa pelepasan panas karena laju pembangkitan panas melebihi kapasitas penolakan panas sistem. Namun, dalam jangka waktu yang lebih lama (misalnya 15, 30, 60 menit), pendinginan aktif cukup baik dalam menghilangkan kelebihan energi panas dan membuangnya, sehingga membantu mengurangi perambatan panas.

Saat mengembangkan strategi pencegahan penyebaran termal, insinyur baterai harus mempertimbangkan semua jalur di atas. Dalam pengujian modul mini baru-baru ini, PyroThin berulang kali menghentikan perambatan termal yang tidak terkendali pada tingkat sel ke sel. Meskipun hanya sebagian dari teka-teki, mengisolasi konduksi sel ke sel dan membuktikan bahwa pelepasan panas dapat dihentikan memungkinkan fokus untuk beralih ke jalur lain.

Aspen Aerogels menawarkan desain teknik yang kuat dan dukungan pembuatan prototipe. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang PyroThin atau menjadwalkan pertemuan dengan tim teknis kami, hubungi kami hari ini