Kaj so materiali, ki zavirajo gorenje?

Prejšnji mesec me je poklical sestavljavec paketov v Ohiu. Njegova stranka je želela vedeti, zakaj se je njihovo skladiščno zavarovanje povečalo za 40 %, potem ko so začeli shranjevati litijeve celice. Zavarovalnica je navedla toplotni beg. Monter me je vprašal, kaj jim lahko pove o varnosti elektrolitov. Povedal sem mu isto, kar govorim vsem. Karbonatna topila v vaših celicah bodo zgorela. Vprašanje je, kaj storite glede tega.

Elektrolit predstavlja morda 10-15% teže celice. Etilen karbonat, dimetil karbonat, etil metil karbonat. To so delovni konji. Dobro raztopijo litijeve soli. Omogočajo hitro premikanje ionov. Imajo tudi plamenišče v območju 30-40 stopinj. Preluknjana celica vrečke lahko doseže 200 stopinj v notranjosti v manj kot minuti. Matematika ni zapletena.

Fosforjeve spojine so se v elektrolitih baterij pojavile okoli leta 2003. Trimetil fosfat je bil prvi, ki so ga ljudje resno poskusili. Deluje tako, da sprošča PO radikale, ko se segreje. Ti radikali zgrabijo vodik s čela plamena in ustavijo verižno reakcijo zgorevanja. Čas samougasitve lahko-skrajšate z 50+ sekund na gram do enomestne številke. Kompromis je viskoznost. Fosfati zgostijo elektrolit. Ionska prevodnost pade. Izgubite sposobnost hitrosti.

Za podjetja, ki nabavljajo celice, vprašajte svojegaproizvajalec paketa litijevih baterijpriprava elektrolitov bi morala biti zdaj standardna praksa. Pokrajina se je od leta 2020 spremenila. Kitajski proizvajalci celic zdaj pošiljajo izdelke z mešanicami fosfat-estra, ki dosegajo enake specifikacije plamena kot japonske celice, ki so se pred petimi leti prodajale po dvakrat nižji ceni. Zhangjiagang Guotai-Huarong dobavlja elektrolit več večjim proizvajalcem celic. Varnostne izboljšave so se premaknile navzdol.

Fluorirane spojine so prišle kasneje. Hidrofluoroetri. Fluorirani karbonati, kot sta FEC in FEMC. Atomi fluora na hrbtenici molekule motijo ​​širjenje radikalov drugače kot fosfor. Rezultati so dobri. Stroški niso. Fluorirani materiali so še vedno 3- do 5x dražji od tega, kar plačate za standardne karbonate. Poznam fante, ki jih določijo na 5-10 % samo zato, da dosežejo varnostni prag, ne da bi uničili svoj seznam materialov.

Okoli leta 2015-2018 so ionske tekočine dobile veliko pozornosti. Parni tlak skoraj nič. Ne bo se vžgal pri običajnem scenariju zlorabe. Ogledal sem si laboratorij v Münstru, ki je z njimi delal šest let. Raziskovalec mi je pokazal celice, ki so preživele 200-stopinjsko zunanje segrevanje brez prezračevanja. Povedal mi je tudi, da plačujejo 85 €/kg za ionsko tekočino. Komercialne mešanice EC/DMC stanejo pod 4 €/kg. Ekonomija je to ubila za avtomobile. Nekatere letalske in vesoljske aplikacije lahko prevzamejo te stroške. Večina ne more.

Gel polimerni elektroliti imajo drugačen pristop. Tekočo fazo ujamete v polimerno matrico. PVDF-HFP je pogost. Nekatere skupine vgrajujejo fosfor neposredno v polimerno ogrodje. Odpornost na gorenje postane strukturna. Raziskovalci na univerzi Qingdao so lani objavili delo o poliimidnih sistemih s fosfazenskimi stranskimi verigami. Samougasni-časi pod 5 sekundami. Mehanska trdnost, ki je dovolj visoka, da upočasni rast dendritov. Izziv je proizvodnja. Prevleka-na-valj z gelnimi elektroliti ni tako zrela kot tekoče polnilo.

Pri ocenjevanju adobavitelj litijevih baterij po meriza industrijsko uporabo postavite posebna vprašanja o varnosti. Kakšen je SET vaše formulacije elektrolitov? Kakšno koncentracijo aditiva za zaviranje gorenja uporabljate? Ali lahko posredujete podatke o stožčasti kalorimetriji? Nekateri izdelovalci celic bodo delili te informacije. Drugi ga obravnavajo kot lastniškega. Vrhunske znamke običajno uporabljajo 12-18% aditivov na osnovi fosfatov glede na težo v svojih standardnih avtomobilskih celicah.

Industrija preizkuša zaviranje gorenja na več načinov. Čas samo{1}}samougasitve je hiter. Vžgete vzorec in merite, kako dolgo gori po odstranitvi vira vžiga. Mejni kisikov indeks vam pove najmanjšo koncentracijo O2, ki je potrebna za vzdrževanje gorenja. UL 2054 in IEC 62133 določata merila za sprejem/neuspeh za dokončane celice. Kitajski GB 38031-2020 zahteva 5 minut opozorilnega časa, preden toplotno širjenje doseže sosednje celice v pakiranju. Izpolnjevanje te specifikacije pogosto zahteva elektrolite, ki zavirajo gorenje.

Odpoklici so to vprašanje potisnili v ospredje. GM je od leta 2021 umaknil 140.000 Bolt EV. Hyundai je odpoklical Kona Electrics. Ford je odložil proizvodnjo Lightninga. Temeljni vzroki so bili različni. Nekatere so bile proizvodne napake. Nekatere so bile težave z zasnovo celic. Zaradi vseh so nabavni oddelki OEM postavljali težja vprašanja. katera kolilitijeva baterija OEM partnerposkušajo pridobiti kvalifikacije za avtomobilsko industrijo, se zdaj soočajo z večjim pregledom dokumentacije o toplotni varnosti kot leta 2019.

Stroški materiala v velikem obsegu znašajo pravi denar. Avtomobilski paket s 60 kWh vsebuje približno 40-50 kg elektrolita, odvisno od formata celice in obremenitve. Dodajanje 15 % zaviralca gorenja pri dodatnih stroških 15 USD/kg pomeni 90–110 USD na paket. Stroški na ravni celic so padli pod 100 $/kWh za najcenejše LFP prizmatične celice iz Kitajske. Ta zaviralec gorenja predstavlja približno 1,5 % stroškov celice. Ekipe za nabavo se prepirajo o penijih na kWh. To ni penijev.

Za podjetja, ki gradijo odnose z aponudnik sestave modula litijeve baterije, je specifikacija elektrolita v zgodnjih razpravah pogosto spregledana. Ljudje se osredotočajo na zmogljivost, življenjsko dobo, C-stopnjo. Ognjevarnost se pokaže pozneje, običajno ko končni kupec zahteva varnostno dokumentacijo. Do takrat je zasnova celice zaklenjena. Naknadna vgradnja drugačne formulacije elektrolita lahko spremeni impedanco, kapaciteto in značilnosti staranja. Bolje je določiti vnaprej.

Raziskovalni načrt vsebuje zanimivo delo. Lokalizirani visoko{1}}koncentrirani elektroliti uporabljajo fosfatna topila, razredčena z ne-vnetljivimi fluoriranimi etri. Dobite negorljivost fosfatov z viskoznostjo in prevodnostjo tradicionalnih karbonatov. Argonne je o tem objavil. Več univerzitetnih skupin na Kitajskem dela na različicah. Komercialna razpoložljivost je verjetno 2-3 leta za avtomobilski razred.

Polprevodni-celice bi v celoti rešile problem vnetljivosti. Keramični in sulfidni elektroliti ne gorijo. Prav tako še ne obstajajo v obsegu avtomobilske proizvodnje. CATL, Samsung SDI, Toyota in QuantumScape so v nedavnih objavah vsi-pomaknili svoje časovne načrte v trdnem stanju za 2-4 leta. katera koliponudnik varnostnih rešitev za litijeve baterijevam bo povedal, da tekoči elektroliti, ki zavirajo gorenje, ostajajo praktičen odgovor vsaj do leta 2028 za večino aplikacij.

Petnajst let sem se ukvarjal s tem problemom v različnih vlogah. Tehnologija se je izboljšala. Stroški so padli. Celični požari se še vedno dogajajo. Dogajajo se redkeje kot pred desetimi leti in današnje celice hranijo več energije kot takrat. Industrija je šla v pravo smer. Dela je še več.