فرار حرارتی باتری لیتیوم یونی و تجزیه و تحلیل مواد

امروزه، شرکت‌های مختلف خودروسازی از باتری‌های لیتیومی در مقیاس وسیع در باتری‌های برق استفاده می‌کنند و چگالی انرژی آنها روز به روز بیشتر می‌شود، اما مردم هنوز نگران ایمنی باتری‌های برق هستند و این راه‌حل خوبی برای ایمنی باتری‌ها نیست. فرار حرارتی هدف اصلی تحقیقات ایمنی باتری برق است و ارزش تمرکز روی آن را دارد.

اول از همه، بیایید بفهمیم فرار حرارتی چیست. فرار حرارتی یک پدیده واکنش زنجیره‌ای است که توسط عوامل مختلف ایجاد می‌شود و در نتیجه مقدار زیادی گرما و گازهای مضر توسط باتری در مدت زمان کوتاهی منتشر می‌شود که حتی می‌تواند باعث آتش گرفتن و انفجار باتری در موارد جدی شود. دلایل زیادی برای وقوع فرار حرارتی وجود دارد، مانند گرمای بیش از حد، شارژ بیش از حد، اتصال کوتاه داخلی، برخورد و غیره. فرار حرارتی باتری اغلب از تجزیه فیلم SEI منفی در سلول باتری شروع می‌شود و به دنبال آن تجزیه و ذوب دیافراگم، که منجر به الکترود منفی و الکترولیت می‌شود، و به دنبال آن تجزیه الکترود مثبت و الکترولیت، در نتیجه باعث ایجاد یک اتصال کوتاه داخلی در مقیاس بزرگ می‌شود که باعث سوختن الکترولیت می‌شود، که سپس به سلول‌های دیگر گسترش می‌یابد و باعث فرار حرارتی جدی می‌شود و به کل باتری اجازه می‌دهد تا احتراق خود به خودی ایجاد کند.

علل فرار حرارتی را می‌توان به علل داخلی و خارجی تقسیم کرد. علل داخلی اغلب به دلیل اتصال کوتاه داخلی هستند؛ علل خارجی به دلیل سوء استفاده مکانیکی، سوء استفاده الکتریکی، سوء استفاده حرارتی و غیره می‌باشند.

اتصال کوتاه داخلی، که تماس مستقیم بین پایانه‌های مثبت و منفی باتری است، از نظر میزان تماس و واکنش بعدی که ایجاد می‌شود، بسیار متفاوت است. معمولاً یک اتصال کوتاه داخلی عظیم ناشی از سوء استفاده مکانیکی و حرارتی، مستقیماً باعث فرار حرارتی می‌شود. در مقابل، اتصال کوتاه‌های داخلی که به خودی خود ایجاد می‌شوند نسبتاً جزئی هستند و گرمای تولید شده آنقدر کم است که بلافاصله باعث فرار حرارتی نمی‌شود. خود-توسعه داخلی معمولاً شامل نقص‌های تولید، زوال خواص مختلف ناشی از فرسودگی باتری، مانند افزایش مقاومت داخلی، رسوبات فلز لیتیوم ناشی از سوء استفاده خفیف طولانی مدت و غیره است. با گذشت زمان، خطر اتصال کوتاه داخلی ناشی از چنین علل داخلی به تدریج افزایش می‌یابد.

آسیب مکانیکی، به تغییر شکل مونومر باتری لیتیومی و بسته باتری تحت تأثیر نیروی خارجی و جابجایی نسبی قسمت‌های مختلف آن اشاره دارد. اشکال اصلی آسیب به سلول الکتریکی شامل برخورد، بیرون زدگی و سوراخ شدن است. به عنوان مثال، یک جسم خارجی که با سرعت بالا توسط وسیله نقلیه لمس می‌شود، مستقیماً منجر به فروپاشی دیافراگم داخلی باتری می‌شود که به نوبه خود باعث ایجاد اتصال کوتاه در باتری شده و در مدت زمان کوتاهی احتراق خود به خودی را آغاز می‌کند.

سوء استفاده الکتریکی از باتری‌های لیتیومی عموماً شامل اتصال کوتاه خارجی، شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد به اشکال مختلف است که به احتمال زیاد به فرار حرارتی و شارژ بیش از حد تبدیل می‌شود. اتصال کوتاه خارجی زمانی رخ می‌دهد که دو هادی با فشار دیفرانسیلی به خارج از سلول متصل شوند. اتصال کوتاه خارجی در بسته‌های باتری می‌تواند به دلیل تغییر شکل ناشی از برخورد وسایل نقلیه، غوطه‌وری در آب، آلودگی هادی یا شوک الکتریکی در حین نگهداری باشد. معمولاً گرمای آزاد شده از یک اتصال کوتاه خارجی، باتری را گرم نمی‌کند، برخلاف سوراخ شدن. ارتباط مهم بین یک اتصال کوتاه خارجی و فرار حرارتی، دمایی است که به نقطه گرمای بیش از حد می‌رسد. زمانی که گرمای تولید شده توسط اتصال کوتاه خارجی نتواند به خوبی دفع شود، دمای باتری افزایش می‌یابد و دمای بالا باعث فرار حرارتی می‌شود. بنابراین، قطع جریان اتصال کوتاه یا اتلاف گرمای اضافی، راه‌هایی برای جلوگیری از ایجاد آسیب بیشتر توسط اتصال کوتاه خارجی هستند. شارژ بیش از حد، به دلیل پر بودن از انرژی، یکی از بالاترین خطرات سوء استفاده الکتریکی است. تولید گرما و گاز دو ویژگی رایج فرآیند شارژ بیش از حد هستند. تولید گرما از گرمای اهمی و واکنش‌های جانبی ناشی می‌شود. اول، دندریت‌های لیتیوم به دلیل جاسازی بیش از حد لیتیوم روی سطح آند رشد می‌کنند.