Já era hora: as 6 fases da propagação da fuga térmica

Propagação de fuga térmica é um desafio complexo. Não importa a química da célula ou a arquitetura do pacote, as baterias de íons de lítio correm o risco de sofrer um evento de fuga térmica. Embora não exista uma solução única para todos, os engenheiros de baterias não precisam reinventar a roda ao desenvolver uma solução que atenda aos requisitos críticos de segurança. Ao compreender as complexidades de cada estágio do desvio térmico, os engenheiros podem descobrir quais alavancas devem ser acionadas para atingir suas metas de desempenho e segurança.

O que é fuga térmica?

As baterias de íon de lítio geram uma pequena quantidade de calor durante o ciclo. As reações químicas dentro das células podem acelerar quando desencadeadas por abuso mecânico (por exemplo, célula perfurada), elétrico (por exemplo, sobrecarga) e térmico (por exemplo, superaquecimento). À medida que a temperatura aumenta, a célula perde a capacidade de dissipar calor, o que pode resultar no incêndio da célula (ou seja, fuga térmica). A fuga térmica em uma única célula é um evento de manutenção, mas pode se propagar rapidamente para outras células – propagação térmica – o que é uma questão de segurança.

Propagação térmica em escalas de tempo curtas e longas

As diretrizes atuais recomendam que todos os passageiros sejam capazes de sair do veículo com segurança nos primeiros cinco minutos após a detecção de um evento de fuga térmica. À medida que os engenheiros de baterias compreendem melhor a tecnologia, é provável que surjam regulamentações mais rigorosas e cronogramas mais rigorosos. O objetivo final é criar sistemas sem propagação, mas a indústria ainda tem um longo caminho a percorrer.

Curto Prazo

Os primeiros minutos de um evento de fuga térmica são explosivos e violentos. Compreender esses mecanismos é crucial para mitigar a propagação térmica e atender às regulamentações de cinco minutos.

1. Condução célula a célula

A condução celular ocorre quando a energia da célula-gatilho é transferida para uma célula adjacente por meio do contato face a face. O calor desenvolvido dentro da bolsa e das células prismáticas é compartilhado com as duas células adjacentes, enquanto as células cilíndricas geralmente compartilham com seis vizinhos (apesar dos efeitos de borda/canto).

Uma barreira célula a célula eficaz (C2C) é a primeira linha de defesa para combater a propagação térmica, servindo como firewall entre células adjacentes. Deve ser uma barreira condutora, isolante ou firewall entre as células. Durante a fuga térmica, o papel da barreira C2C é proteger as células adjacentes da célula desencadeadora. Deve ser o mais fino possível, fornecer resistência térmica excepcionalmente alta enquanto comprimido e resistir a temperaturas de 850°C ou superiores.

PyroThin é uma barreira célula a célula líder do setor porque fornece proteção térmica e mecânica durante todo o ciclo de vida do veículo em um formato ultrafino e leve. A tecnologia exclusiva de aerogel da Aspen permite PyroThin para atuar como almofada de compressão e barreira contra fogo. PyroThin é uma plataforma ajustável que pode ser personalizada para atender aos requisitos térmicos, de resposta de compressão e de espessura.

2. Combustão Primária

O gerenciamento de gás é fundamental para fazer um projeto sem propagação. A ejeção do gás de uma célula ocorre em duas etapas:

• durante combustão primária todos os reagentes para o processo de combustão vêm de dentro da célula. A combustão primária normalmente começa dentro da célula e pode então transitar para fora à medida que os reagentes são ejetados.
• Combustão secundária ocorre quando os materiais quentes e ricos em combustível dentro da célula são ejetados e reagem violentamente com o ar no espaço superior acima das células.

O gerenciamento de gás é fundamental para estender os tempos de atraso de propagação além do limite de cinco minutos. A menos que sejam devidamente controlados, os gases quentes podem espalhar-se rapidamente pela parte superior e pelas laterais dos módulos, acionando diretamente células adjacentes e provocando curto-circuito em todos os outros mecanismos de proteção.

3. Ejeção de partículas quentes

Além de liberar gases quentes de uma célula em fuga, muitas vezes há a expulsão em alta velocidade de partículas quentes, incluindo alumínio fundido, pedaços de plástico derretidos ou carbonizados e pedaços sólidos de cobre. Estas partículas tornam o problema da gestão do gás ainda mais difícil, uma vez que sujeitam as áreas circundantes ao calor e à explosão erosiva concentrada durante até 60 segundos.

Longo prazo

Contendo um evento de fuga térmica com PyroThin pode ser como capturar um animal selvagem - isso levanta a questão: “E agora?” Toda essa energia térmica ainda deve ser drenada e existem vários caminhos para que ela se esgote. Conforme descrito abaixo, cada via deve ser controlada, para que todo o calor contido não flua para as células adjacentes.

4. Caminhos condutores secundários entram em ação

À medida que os eventos de propagação térmica duram mais, as vias de condução secundárias tornam-se críticas e existem muitas delas, incluindo:

• Os barramentos geralmente são feitos de alumínio ou cobre, o que os torna bons condutores elétricos. Barramentos fornecem um caminho de uma aba de célula para sua vizinha. As barreiras célula a célula têm impacto zero nessas pontes térmicas porque não se estendem além do perfil de uma célula.
• Uma placa de resfriamento, ativa ou inativa, geralmente é uma grande folha de alumínio. Ele forma um caminho que passa por baixo de uma barreira C2C, contornando-a como uma ponte térmica.

5. Convecção natural através das lacunas de ar

A convecção natural (em oposição à convecção controlada por pressão durante a ventilação ativa) ocorre quando os produtos de combustão quentes se espalham através e ao redor do módulo, aquecendo diretamente as células adjacentes.

6. Resfriamento Ativo

O resfriamento ativo é imprevisível porque o sistema de gerenciamento térmico de um veículo pode nem sempre estar intacto e funcional, especialmente em um cenário pós-colisão. Se disponíveis, os sistemas de resfriamento ativo podem – em escalas de tempo suficientemente longas – absorver o excesso de calor e rejeitá-lo com segurança. Os sistemas de gerenciamento térmico são geralmente ineficazes durante o período inicial de cinco minutos de um evento de fuga térmica porque a taxa de geração de calor supera a capacidade de rejeição de calor do sistema. No entanto, em escalas de tempo mais longas (por exemplo, 15, 30, 60 minutos), o resfriamento ativo é bom para remover o excesso de energia térmica e rejeitá-lo, ajudando a mitigar a propagação térmica.

Ao desenvolver uma estratégia de prevenção da propagação térmica, os engenheiros de baterias devem ter em mente todos os caminhos acima. Em testes recentes de minimódulos, PyroThin interrompeu repetidamente a propagação térmica descontrolada no nível célula a célula. Embora seja apenas uma peça do quebra-cabeça, isolar a condução célula a célula e provar que a fuga térmica pode ser interrompida permite que o foco mude para outros caminhos.

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