Het werd tijd: de 6 fasen van thermische voortplanting

Thermische voortplanting is een complexe uitdaging. Ongeacht de celchemie of de pakketarchitectuur lopen lithium-ionbatterijen het risico een thermische runaway te ervaren. Hoewel er geen one-size-fits-all oplossing bestaat, hoeven accu-ingenieurs het wiel niet opnieuw uit te vinden bij het ontwikkelen van een oplossing die aan kritische veiligheidseisen voldoet. Door de complexiteit van elke fase van thermische runaway te begrijpen, kunnen ingenieurs ontdekken welke hefbomen ze moeten gebruiken om hun prestatie- en veiligheidsdoelen te bereiken.

Wat is Thermal Runaway?

Lithium-ionbatterijen genereren tijdens het fietsen een kleine hoeveelheid warmte. De chemische reacties in de cellen kunnen versnellen wanneer ze worden geactiveerd door mechanisch (bijvoorbeeld een lekke cel), elektrisch (bijvoorbeeld overladen) en thermisch misbruik (bijvoorbeeld oververhitting). Naarmate de temperatuur stijgt, verliest de cel het vermogen om warmte af te voeren, wat ertoe kan leiden dat de cel in brand vliegt (dat wil zeggen thermische overstroming). Thermal runaway in een enkele cel is een onderhoudsgebeurtenis, maar kan zich snel verspreiden naar andere cellen – thermische voortplanting – wat een veiligheidsprobleem is.

Thermische voortplanting over korte en lange tijdschalen

De huidige richtlijnen bevelen aan dat alle passagiers het voertuig veilig moeten kunnen verlaten binnen de eerste vijf minuten nadat een thermische runaway-gebeurtenis is gedetecteerd. Naarmate batterij-ingenieurs de technologie beter begrijpen, zullen er waarschijnlijk strengere regels en langere dienstregelingen in het verschiet liggen. Het uiteindelijke doel is het creëren van niet-propagerende systemen, maar de industrie heeft nog een lange weg te gaan.

Kortere termijn

De eerste paar minuten van een thermische runaway-gebeurtenis zijn explosief en gewelddadig. Het begrijpen van deze mechanismen is van cruciaal belang om de thermische voortplanting te beperken en te voldoen aan de vijf-minutenregelgeving.

1. Cel-naar-cel-geleiding

Celgeleiding vindt plaats wanneer energie van de triggercel via face-to-face contact wordt overgedragen naar een aangrenzende cel. De warmte die wordt ontwikkeld in de buidel- en prismatische cellen wordt gedeeld met de twee aangrenzende cellen, terwijl cilindrische cellen in het algemeen zullen delen met zes buren (ondanks rand-/hoekeffecten).

Een effectieve cel-tot-cel (C2C) barrière is de eerste verdedigingslinie om thermische voortplanting tegen te gaan en dient als firewall tussen aangrenzende cellen. Het moet een geleidende barrière, isolator of firewall tussen cellen zijn. Tijdens thermische runaway is de rol van een C2C-barrière het beschermen van aangrenzende cellen tegen de triggercel. Het moet zo dun mogelijk zijn, een uitzonderlijk hoge thermische weerstand bieden wanneer het wordt samengedrukt, en bestand zijn tegen temperaturen van 850°C of hoger.

PyroThin is een toonaangevende cel-tot-celbarrière omdat het thermische en mechanische bescherming biedt gedurende de gehele levenscyclus van een voertuig in een ultradun, lichtgewicht formaat. De unieke aerogeltechnologie van Aspen maakt dit mogelijk PyroThin om te fungeren als zowel compressiekussen als brandbarrière. PyroThin is een afstembaar platform dat kan worden aangepast om te voldoen aan de thermische, compressierespons- en diktevereisten.

2. Primaire verbranding

Gasmanagement is de sleutel tot het maken van een niet-propagerend ontwerp. Het uitstoten van gas uit een cel gebeurt in twee stappen:

• Tijdens de Drooglegging in de jaren twintig van de twintigste eeuw boden verborgen deuren toegang tot geheime kroegen en ondergrondse clubs. primaire verbranding alle reactanten voor het verbrandingsproces komen uit de cel. De primaire verbranding begint doorgaans binnen de cel en kan vervolgens naar buiten overgaan wanneer de reactanten worden uitgeworpen.
• Secundaire verbranding treedt op wanneer de hete, brandstofrijke materialen in de cel worden uitgeworpen en heftig reageren met lucht in de hoofdruimte boven de cellen.

Gasbeheer is van cruciaal belang om de propagatievertragingstijden tot voorbij de drempel van vijf minuten te verlengen. Tenzij goed gecontroleerd, kunnen hete gassen zich snel over de bovenkant en zijkanten van de modules verspreiden, waardoor aangrenzende cellen direct worden geactiveerd en alle andere beveiligingsmechanismen worden kortgesloten.

3. Uitstoten van hete deeltjes

Naast het vrijkomen van hete gassen uit een op hol geslagen cel, is er vaak sprake van de uitdrijving met hoge snelheid van hete deeltjes, waaronder gesmolten aluminium, gesmolten of verkoolde plastic stukjes en vaste stukken koper. Deze deeltjes maken het probleem van het gasbeheer nog moeilijker, omdat ze de omliggende gebieden gedurende maar liefst 60 seconden blootstellen aan zowel hitte als geconcentreerde erosieve explosies.

Langere termijn

Bevat een thermische op hol geslagen gebeurtenis met PyroThin kan lijken op het vangen van een wild dier – het roept de vraag op: “Wat nu?” Al die thermische energie moet nog steeds worden afgevoerd, en er zijn meerdere manieren om deze energie kwijt te raken. Zoals hieronder beschreven moet elke route gecontroleerd worden, zodat de warmte die erin zit niet naar de aangrenzende cellen stroomt.

4. Secundaire geleidende paden treden in werking

Naarmate thermische voortplantingsgebeurtenissen langer duren, worden secundaire geleidingsroutes van cruciaal belang en er zijn er veel, waaronder:

• Busbars zijn vaak gemaakt van aluminium of koper, waardoor ze goede elektrische geleiders zijn. Busbars bieden een pad van het ene celtabblad naar het aangrenzende celtabblad. Cel-tot-celbarrières hebben geen invloed op deze koudebruggen, omdat ze niet verder reiken dan het profiel van een cel.
• Een koelplaat, actief of inactief, is over het algemeen een groot vel aluminium. Het vormt een pad dat onder een C2C-barrière door tunnelt en deze als koudebrug omzeilt.

5. Natuurlijke convectie over luchtspleten

Natuurlijke convectie (in tegenstelling tot de drukgestuurde convectie tijdens actieve ontluchting) treedt op wanneer hete verbrandingsproducten zich over en rond de module verspreiden, waardoor de aangrenzende cellen direct worden verwarmd.

6. Actieve koeling

Actieve koeling is een wildcard omdat het thermische beheersysteem van een voertuig mogelijk niet altijd intact en functioneel is, vooral niet in een scenario na een ongeval. Indien beschikbaar kunnen actieve koelsystemen – over voldoende lange tijdschalen – overtollige warmte absorberen en veilig afstoten. Thermische beheersystemen zijn over het algemeen ineffectief tijdens de eerste vijf minuten van een thermische runaway-gebeurtenis, omdat de warmteopwekkingssnelheid de warmteafvoercapaciteit van het systeem overweldigt. Over langere tijdsschalen (bijvoorbeeld 15, 30, 60 minuten) is actieve koeling echter goed in het verwijderen van de overtollige thermische energie en het afstoten ervan, waardoor de thermische voortplanting wordt tegengegaan.

Bij het ontwikkelen van een strategie ter preventie van thermische voortplanting moeten batterij-ingenieurs alle bovengenoemde trajecten in gedachten houden. Bij recente tests met minimodules is PyroThin stopte herhaaldelijk de thermische voortplanting op cel-tot-cel-niveau. Hoewel het slechts een stukje van de puzzel is, zorgt het isoleren van de cel-naar-cel-geleiding en het bewijzen dat thermische op hol geslagen kan worden ervoor dat de focus verschuift naar andere routes.

Aspen Aerogels biedt robuust technisch ontwerp en ondersteuning voor prototypes. Om meer te weten te komen over PyroThin of om een ​​afspraak te maken met ons technisch team, Contacteer ons vandaag