Runaway termico della batteria EV

I problemi di sicurezza sono il principale ostacolo all'applicazione su larga scala delle batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici.

Con il continuo miglioramento della densità energetica delle batterie agli ioni di litio, il miglioramento della loro sicurezza è sempre più urgente per lo sviluppo dei veicoli elettrici. La fuga termica è un tema chiave nella ricerca sulla sicurezza delle batterie. Pertanto, questo articolo fornisce una revisione completa del meccanismo di fuga termica delle batterie commerciali agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici. Riassume le situazioni di abuso che possono portare alla fuga termica. Le situazioni di abuso includono l'abuso meccanico, l'abuso elettrico e l'abuso termico. I cortocircuiti interni sono la caratteristica più comune di tutte le condizioni di abuso.

Abuso meccanico

Sotto l'azione di forze esterne, la deformazione delle celle e dei pacchi batteria al litio, così come lo spostamento relativo di diverse parti delle stesse, è la principale caratteristica esterna dell'abuso meccanico. Le forme principali per le celle delle batterie sono la collisione, la compressione e la penetrazione di chiodi. Considerando il livello del pacco batteria, occorre tenere conto anche delle vibrazioni.

Nell'ambito degli abusi meccanici, il più pericoloso è la penetrazione di un chiodo, in cui il conduttore viene inserito nel corpo della batteria, causando un cortocircuito diretto tra i poli positivo e negativo. Rispetto a collisioni, schiacciamenti, ecc. è solo una probabilità che si verifichino cortocircuiti interni. La generazione di calore durante il processo di penetrazione dei chiodi è più intensa e la probabilità di un riscaldamento fuori controllo è maggiore.

In precedenza, la penetrazione dei chiodi era considerata un metodo di prova alternativo per l'ISC. Tuttavia, la ripetibilità del test dell'ago è stata messa in discussione dai produttori di batterie. Alcuni ritengono che le batterie agli ioni di litio con una maggiore densità di energia non supereranno mai il test di penetrazione standard. Migliorare la ripetibilità del test di penetrazione dei chiodi o trovare metodi di test alternativi rimane una questione aperta e impegnativa nella ricerca sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio.

Abuso elettrico

L'abuso elettrico delle batterie al litio comprende generalmente i cortocircuiti esterni, il sovraccarico e lo scaricamento, tra i quali il sovraccarico è quello che ha maggiori probabilità di svilupparsi in un runaway termico.

Il cortocircuito esterno si verifica quando due conduttori con una differenza di pressione sono collegati all'esterno della cella. Il cortocircuito esterno del pacco batterie può essere causato da deformazione, immersione, contaminazione dei conduttori o scosse elettriche durante la manutenzione causate da collisioni automobilistiche.

Rispetto alla penetrazione dei chiodi, il calore rilasciato dai cortocircuiti esterni di solito non riscalda la batteria. Il legame importante tra cortocircuito esterno e fuga termica è la temperatura eccessiva. Se il calore generato dai cortocircuiti esterni non può essere dissipato bene, la temperatura della batteria aumenta e il calore di contatto ad alta temperatura perde il controllo. Pertanto, l'interruzione della corrente di cortocircuito o la dissipazione del calore in eccesso sono metodi per prevenire ulteriori danni causati dal cortocircuito esterno.

Sovraccarico

A causa dell'elevato contenuto energetico, è il tipo di abuso elettrico più pericoloso. La generazione di calore e di gas sono due caratteristiche comuni durante il sovraccarico. Il riscaldamento deriva dal calore ohmico e dalle reazioni collaterali. In primo luogo, a causa dell'eccessivo inserimento di litio, sulla superficie dell'anodo si formano dendriti di litio. Il momento in cui le dendriti di litio iniziano a crescere è determinato dal rapporto stechiometrico tra catodo e anodo. In secondo luogo, il distacco eccessivo di litio porta al collasso della struttura del catodo a causa del riscaldamento e del rilascio di ossigeno. Il rilascio di ossigeno accelera la decomposizione degli elettroliti, producendo una grande quantità di gas. A causa dell'aumento della pressione interna, la valvola di scarico si apre e la batteria inizia a scaricarsi. Quando la sostanza attiva della cella della batteria entra in contatto con l'aria, subisce una reazione violenta e rilascia una grande quantità di calore. La protezione da sovraccarico può essere implementata sotto due aspetti: la gestione della tensione e la regolazione del materiale.

Sovrascarica

La tensione incoerente tra le batterie di un pacco batterie è inevitabile. Pertanto, se il BMS non riesce a monitorare in modo specifico la singola cella della batteria con la tensione più bassa, questa si scaricherà eccessivamente. Il meccanismo dell'abuso di sovrascarica è diverso da altre forme di abuso e il suo potenziale pericolo può essere sottovalutato.

Durante la sovrascarica, la batteria con la tensione più bassa del pacco batterie può essere scaricata forzatamente da altre batterie collegate in serie. Durante la scarica forzata, l'inversione dei poli fa sì che la tensione della batteria diventi negativa, provocando un riscaldamento anomalo della batteria sovra-scaricata. Gli ioni di rame disciolti a causa della sovrascarica migrano attraverso la membrana e formano dendriti di rame con un potenziale più basso sul lato del catodo. Con l'aumento della crescita, i dendriti di rame possono penetrare nella membrana, causando una grave ISC.

Abuso termico

Il surriscaldamento locale può essere una tipica situazione di abuso termico che si verifica nei pacchi batteria. L'abuso termico raramente esiste in modo indipendente e spesso si sviluppa a seguito di un abuso meccanico ed elettrico, ed è in ultima analisi una causa diretta del surriscaldamento di emergenza. Oltre al surriscaldamento causato da abuso meccanico/elettrico, il surriscaldamento può essere causato da contatti di connessione allentati. Il problema dei collegamenti allentati della batteria è stato confermato. L'abuso termico è anche la situazione più comunemente simulata, utilizzando batterie a riscaldamento controllato per osservare le loro reazioni durante il processo di riscaldamento.

Cortocircuito interno

Il cortocircuito interno è il contatto diretto tra i poli positivo e negativo della batteria; naturalmente, il grado di contatto varia notevolmente anche nelle reazioni che si innescano successivamente. Il cortocircuito interno su larga scala, solitamente causato da abusi meccanici e termici, innesca direttamente la fuga termica. Al contrario, il cortocircuito interno autosviluppato è relativamente lieve e genera pochissimo calore, per cui non si innesca immediatamente la fuga termica.

La velocità di rilascio dell'energia varia in base al grado di rottura del diaframma e al tempo trascorso dall'ISC al thermal runaway. Si ritiene che l'ISC spontaneo abbia origine da inquinamento o difetti nel processo di produzione. L'inquinamento/difetti richiedono giorni o addirittura mesi per trasformarsi in ISC spontanea e i meccanismi coinvolti nel processo di incubazione a lungo termine sono piuttosto complessi.

L'articolo presenta i risultati delle ricerche in corso sul fenomeno, le cause e le strategie di risposta alla fuga termica. Le caratteristiche più comuni di tutte le condizioni di abuso sono i cortocircuiti interni, compresi gli abusi meccanici, elettrici e termici. La fuga termica segue il meccanismo della reazione a catena, durante la quale le reazioni di decomposizione dei materiali che compongono la batteria avvengono una dopo l'altra.