כיום, יצרניות רכב שונות משתמשות בסוללות ליתיום בקנה מידה גדול בסוללות חשמל, וצפיפות האנרגיה שלהן הולכת וגדלה, אך אנשים עדיין מושפעים מבטיחותן של סוללות חשמל, וזה לא פתרון טוב לבטיחותן. בריחה תרמית היא מושא המחקר העיקרי של בטיחות סוללות חשמל, וכדאי להתמקד בו.
ראשית, הבה נבין מהי בריחה תרמית. בריחה תרמית היא תופעת תגובת שרשרת הנגרמת על ידי גורמים שונים, וכתוצאה מכך נפלטת כמות גדולה של חום וגזים מזיקים מהסוללה תוך פרק זמן קצר, מה שעלול אף לגרום לסוללה להתלקח ולהתפוצץ במקרים חמורים. ישנן סיבות רבות להתרחשות של בריחה תרמית, כגון התחממות יתר, טעינת יתר, קצר פנימי, התנגשות וכו'. בריחה תרמית של הסוללה מתחילה לרוב בפירוק שכבת ה-SEI השלילית בתא הסוללה, ולאחר מכן בפירוק והתכה של הסרעפת, וכתוצאה מכך באלקטרודה השלילית ובאלקטרוליט, ולאחר מכן בפירוק של האלקטרודה החיובית והאלקטרוליט, ובכך גורם לקצר פנימי בקנה מידה גדול, הגורם לאלקטרוליט להישרף, אשר לאחר מכן מתפשט לתאים אחרים, גורם לבריחה תרמית חמורה ומאפשר לכל חבילת הסוללה לייצר בעירה ספונטנית.
ניתן לחלק את הגורמים לבריחת חום לסיבות פנימיות וחיצוניות. סיבות פנימיות נובעות לרוב מקצרים פנימיים; סיבות חיצוניות נובעות מפגיעה מכנית, פגיעה חשמלית, פגיעה תרמית וכו'.
קצר פנימי, שהוא מגע ישיר בין ההדקים החיוביים והשליליים של הסוללה, משתנה מאוד במידת המגע ובתגובה הנגרמת לאחר מכן. בדרך כלל קצר פנימי מסיבי הנגרם כתוצאה מפגיעה מכנית ותרמית יגרום ישירות לבריחה תרמית. לעומת זאת, קצרים פנימיים המתפתחים מעצמם הם קלים יחסית, והחום שהם מייצרים כה קטן עד שאינו גורם באופן מיידי לבריחה תרמית. התפתחות פנימית כוללת בדרך כלל פגמי ייצור, הידרדרות של תכונות שונות הנגרמת כתוצאה מהזדקנות הסוללה, כגון התנגדות פנימית מוגברת, משקעי מתכת ליתיום הנגרמים כתוצאה משימוש לרעה קל לטווח ארוך וכו'. עם הזמן, הסיכון לקצר פנימי הנגרם מסיבות פנימיות כאלה יגדל בהדרגה.
התעללות מכנית מתייחסת לעיוות של מונומר סוללת ליתיום וחבילת הסוללה תחת פעולת כוח חיצוני, ותזוזה יחסית של חלקים שונים של הסוללה. הצורות העיקריות של התנגשות בתא החשמל כוללות התנגשות, שיחול וניקוב. לדוגמה, גוף זר שנגע בו הרכב במהירות גבוהה הוביל ישירות לקריסת הסרעפת הפנימית של הסוללה, מה שגרם בתורו לקצר חשמלי בתוך הסוללה ועורר בעירה ספונטנית תוך פרק זמן קצר.
שימוש לרעה חשמלי בסוללות ליתיום כולל בדרך כלל קצר חיצוני, טעינת יתר ופריקה יתר במספר צורות, אשר סביר להניח שיתפתח לבעיית בריחה תרמית לטעינת יתר. קצר חיצוני מתרחש כאשר שני מוליכים בעלי לחץ דיפרנציאלי מחוברים מחוץ לתא. קצרים חיצוניים בחבילות סוללות יכולים לנבוע מעיוות הנגרם מתנגשויות רכב, טבילה במים, זיהום מוליכים או התחשמלות במהלך תחזוקה. בדרך כלל, החום המשתחרר מקצר חיצוני אינו מחמם את הסוללה בניגוד לניקוב. הקשר החשוב בין קצר חיצוני לבעיית בריחה תרמית הוא הטמפרטורה המגיעה לנקודת התחממות יתר. כאשר החום שנוצר על ידי הקצר החיצוני אינו מתפזר היטב, טמפרטורת הסוללה עולה והטמפרטורה הגבוהה גורמת לבעיית בריחה תרמית. לכן, ניתוק זרם הקצר או פיזור חום עודף הן דרכים למנוע מהקצר החיצוני לגרום נזק נוסף. טעינת יתר, בשל כמות האנרגיה הגבוהה שלו, היא אחת הסכנות הגבוהות ביותר של שימוש לרעה חשמלי. יצירת חום וגז הן שתי תכונות נפוצות של תהליך טעינת היתר. יצירת החום נובעת מחום אוהמי ומתגובות לוואי. ראשית, דנדריטים של ליתיום גדלים על פני האנודה עקב הטמעה מוגזמת של ליתיום.
אמצעי הגנה מפני בריחה תרמית:
בשלב ייצור החום העצמי כדי לעכב בריחת חום של הליבה, יש לנו שתי אפשרויות, האחת היא לשפר ולשדרג את חומר הליבה, מהות הבריחה התרמית טמונה בעיקר ביציבות חומרי האלקטרודה החיובית והשלילית והאלקטרוליט. בעתיד, עלינו גם לבצע פריצות דרך גדולות יותר בציפוי חומרי הקתודה, שינוי, תאימות אלקטרוליט הומוגני ואלקטרודה, ושיפור המוליכות התרמית של הליבה. או לבחור אלקטרוליט עם בטיחות גבוהה כדי לשחק את האפקט של מעכב בעירה. שנית, יש צורך לאמץ פתרונות ניהול תרמי יעילים (מחמם נוזל קירור PTC/ מחמם אוויר PTC) מבחוץ כדי לדכא את עליית הטמפרטורה של סוללת ליתיום-יון, על מנת להבטיח ששכבת ה-SEI של התא לא תעלה לטמפרטורת ההמסה, ובאופן טבעי, לא תתרחש בריחה תרמית.
זמן פרסום: 17 במרץ 2023
