Era ora: le 6 fasi della propagazione dell'instabilità termica

Propagazione dell'instabilità termica è una sfida complessa. Indipendentemente dalla chimica delle celle o dall’architettura del pacco, le batterie agli ioni di litio corrono il rischio di subire un evento di instabilità termica. Sebbene non esista una soluzione valida per tutti, gli ingegneri delle batterie non hanno bisogno di reinventare la ruota quando sviluppano una soluzione per soddisfare i requisiti critici di sicurezza. Comprendendo le complessità di ogni fase dell'instabilità termica, gli ingegneri possono scoprire quali leve utilizzare per raggiungere i propri obiettivi in ​​termini di prestazioni e sicurezza.

Cos'è la fuga termica?

Le batterie agli ioni di litio generano una piccola quantità di calore durante il ciclo. Le reazioni chimiche all'interno delle cellule possono accelerare se innescate da abusi meccanici (ad esempio, cella perforata), elettrici (ad esempio, sovraccarico) e termici (ad esempio, surriscaldamento). All'aumentare della temperatura, la cella perde la capacità di dissipare il calore, il che può provocare un incendio della cella (ovvero, fuga termica). La fuga termica in una singola cella è un evento di manutenzione ma può propagarsi rapidamente ad altre celle (propagazione termica), il che rappresenta un problema di sicurezza.

Propagazione termica su scale temporali brevi e lunghe

Le attuali linee guida raccomandano che tutti i passeggeri siano in grado di uscire in sicurezza dal veicolo entro i primi cinque minuti dal rilevamento di un evento di fuga termica. Man mano che gli ingegneri delle batterie comprendono meglio la tecnologia, sono probabili all’orizzonte normative più rigorose e tempi più lunghi. L’obiettivo finale è creare sistemi non propaganti, ma l’industria ha ancora molta strada da fare.

A breve termine

I primi minuti di un evento di fuga termica sono esplosivi e violenti. Comprendere questi meccanismi è fondamentale per mitigare la propagazione termica e soddisfare le normative sui cinque minuti.

1. Conduzione da cellula a cellula

La conduzione cellulare avviene quando l'energia dalla cellula trigger si trasferisce a una cellula adiacente tramite contatto faccia a faccia. Il calore sviluppato all'interno della sacca e delle celle prismatiche è condiviso con le due celle adiacenti, mentre le celle cilindriche generalmente lo condivideranno con sei vicine (nonostante gli effetti bordo/angolo).

Un'efficace barriera cellula-cellula (C2C) è la prima linea di difesa per combattere la propagazione termica e funge da firewall tra celle adiacenti. Dovrebbe essere una barriera conduttiva, un isolante o un firewall tra le cellule. Durante l'instabilità termica, il ruolo della barriera C2C è quello di proteggere le cellule adiacenti dalla cellula trigger. Dovrebbe essere il più sottile possibile, fornire una resistenza termica eccezionalmente elevata mentre è compresso e resistere a temperature di 850°C o superiori.

PyroThin è una barriera cellula-cellula leader del settore perché fornisce protezione termica e meccanica per l'intero ciclo di vita del veicolo in un formato ultrasottile e leggero. L'esclusiva tecnologia aerogel di Aspen consente PyroThin fungere sia da cuscinetto di compressione che da barriera antincendio. PyroThin è una piattaforma sintonizzabile che può essere personalizzata per soddisfare i requisiti termici, di risposta alla compressione e di spessore.

2. Combustione primaria

La gestione del gas è fondamentale per realizzare un progetto che non si propaghi. L'espulsione del gas da una cella avviene in due fasi:

• Durante combustione primaria tutti i reagenti per il processo di combustione provengono dall'interno della cellula. La combustione primaria inizia tipicamente all'interno della cella e può quindi passare all'esterno quando i reagenti vengono espulsi.
• Combustione secondaria si verifica quando i materiali caldi e ricchi di carburante all'interno della cella vengono espulsi e reagiscono violentemente con l'aria nello spazio di testa sopra le celle.

La gestione del gas è fondamentale per estendere i tempi di ritardo della propagazione oltre la soglia dei cinque minuti. Se non adeguatamente controllati, i gas caldi possono diffondersi rapidamente sulla parte superiore e sui lati dei moduli, attivando direttamente le celle adiacenti e cortocircuitando tutti gli altri meccanismi di protezione.

3. Eiezione di particolato caldo

Oltre al rilascio di gas caldi da una cella in fuga, si verifica spesso l'espulsione ad alta velocità di particolati caldi tra cui alluminio fuso, pezzi di plastica fusi o carbonizzati e pezzi solidi di rame. Questi particolati rendono ancora più difficile il problema della gestione del gas, poiché sottopongono le aree circostanti sia al calore che all’esplosione erosiva concentrata per un massimo di 60 secondi.

Lungo termine

Contenente un evento di fuga termica con PyroThin può essere come catturare un animale selvatico: fa sorgere la domanda: “E adesso?” Tutta quell'energia termica deve ancora essere drenata e ci sono più percorsi per scaricarla. Come descritto di seguito, ogni percorso deve essere controllato, affinché tutto il calore contenuto non confluisca nelle celle adiacenti.

4. Entrano in azione le vie conduttive secondarie

Poiché gli eventi di propagazione termica si prolungano, i percorsi di conduzione secondaria diventano critici e ce ne sono molti, tra cui:

• Le sbarre collettrici sono spesso realizzate in alluminio o rame, il che le rende buoni conduttori elettrici. Le sbarre collettrici forniscono un percorso da una cella a quella vicina. Le barriere cellula-cellula hanno un impatto zero su questi ponti termici perché non si estendono oltre il profilo di una cella.
• Una piastra di raffreddamento, attiva o inattiva, è generalmente un grande foglio di alluminio. Forma un percorso che scava un tunnel sotto una barriera C2C, aggirandola come un ponte termico.

5. Convezione naturale attraverso gli spazi d'aria

La convezione naturale (a differenza della convezione guidata dalla pressione durante lo sfiato attivo) si verifica quando i prodotti caldi della combustione si diffondono attraverso e attorno al modulo, riscaldando direttamente le celle adiacenti.

6. Raffreddamento attivo

Il raffreddamento attivo è un jolly perché il sistema di gestione termica di un veicolo potrebbe non essere sempre intatto e funzionante, soprattutto in uno scenario post-incidente. Se disponibili, i sistemi di raffreddamento attivi possono, su scale temporali sufficientemente lunghe, assorbire il calore in eccesso e respingerlo in modo sicuro. I sistemi di gestione termica sono generalmente inefficaci durante i primi cinque minuti di un evento di fuoriuscita termica perché la velocità di generazione del calore supera la capacità di smaltimento del calore del sistema. Tuttavia, su tempi più lunghi (ad esempio, 15, 30, 60 minuti), il raffreddamento attivo è efficace nel rimuovere l'energia termica in eccesso e respingerla, contribuendo a mitigare la propagazione termica.

Quando sviluppano una strategia di prevenzione della propagazione termica, gli ingegneri delle batterie dovrebbero tenere a mente tutti i percorsi sopra indicati. Nei recenti test sui mini-moduli, PyroThin fermato ripetutamente la propagazione dell’instabilità termica a livello cellula-cellula. Sebbene sia solo un pezzo del puzzle, isolare la conduzione da cellula a cellula e dimostrare che la fuga termica può essere fermata consente di spostare l’attenzione su altri percorsi.

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