Будет твердым

Jan 11, 2024

Термический разгон и связанные с ним возгорания аккумуляторов оказались серьезной проблемой для клиентов, разработчиков аккумуляторов и производителей электромобилей. На многих автомобилях возникли возгорания аккумуляторов, и сотни тысяч были отозваны. Хотя такие события случаются редко, они могут быть очень серьезными, поэтому важно обеспечить максимальную безопасность людей внутри и вокруг этих транспортных средств. Распространенный вопрос: будет ли будущая технология твердотельных батарей более безопасной и устранит ли это необходимость в материалах для управления температурным режимом и противопожарной защиты?

В новом отчете IDTechEx «Твердотельные и полимерные батареи 2023-2033: технологии, прогнозы, игроки» рассматриваются технологии, игроки, безопасность и внедрение твердотельных батарей.

На первый взгляд твердотельные батареи обладают различными преимуществами в плане безопасности. Они исключают воспламеняющийся жидкий электролит и могут заменить его негорючим твердотельным электролитом. Они также, как правило, имеют более широкий диапазон рабочих температур, что потенциально снижает вероятность выхода из-под контроля температуры из-за перегрева элемента. Тепло, выделяемое из-за отказа внешнего отопления, также обычно снижается.

Однако это еще не все. Термин «твердотельный аккумулятор» на самом деле относится к множеству аккумуляторных технологий. В некоторых случаях в батарее по-прежнему будет использоваться жидкий компонент для ионного обмена (полутвердотельный), то есть летучий компонент все еще присутствует. Некоторые полимерные твердотельные электролиты не являются полностью воспламеняемыми, и любой электролит может расплавиться, если система станет достаточно горячей.

В 2022 году оператор общественного транспорта Парижа временно отозвал 149 электробусов после двух пожаров. Утверждалось, что в используемых здесь элементах используются батареи с катодом LFP, металлическим литиевым анодом и твердотельным полимерным электролитом. Поставщик описывает свои батареи как «полностью твердые, без жидких компонентов, никеля и кобальта».

Другой пример взят из исследования, основанного на моделировании, проведенного Национальными лабораториями Сандии в 2022 году (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755), в котором сравнивалась безопасность полностью твердотельной батареи, твердотельной батареи. -государственная батарея с жидким электролитом, добавленным в катод, и обычная литий-ионная батарея на жидкой основе. Исследование показало, что при отказе внешнего нагрева твердотельная батарея с небольшим количеством жидкого электролита выделяет меньше тепла, чем типичная литий-ионная батарея, но больше, чем полностью твердотельная батарея. При отказе от короткого замыкания выделение тепла зависело только от емкости элемента. Учитывая, что твердотельные батареи могут иметь более высокую плотность энергии, может выделяться больше тепла. Типичные температуры термического разгона, о которых говорят для обычных литий-ионных аккумуляторов, составляют около 1000–1200°C; в некоторых сценариях этого исследования повышение температуры твердотельных батарей достигало почти 1800°C.

Разработка твердотельных батарей все еще продолжается, но вывод заключается в том, что в большинстве случаев твердотельные батареи вполне могут быть безопаснее. Тем не менее, ни одна аккумуляторная система не будет на 100% безопасной. Следовательно, материалы для управления температурным режимом и противопожарной защиты всегда будут необходимы для создания последнего слоя, задерживающего распространение огня за пределы упаковки.

Типы противопожарных материалов, используемых для твердотельных батарей, во многом будут аналогичны тем, которые используются для традиционных литий-ионных батарей, форм-фактор элементов (цилиндрические, призматические, мешочные), а общая конструкция упаковки будет иметь больший влияние на выбор материала. Сегодня широко используемыми материалами для пассивной огнезащиты являются, среди прочего, листы слюды, керамические покрытия, герметизирующие пены и огнезащитные покрытия. Аэрогели набирают популярность на рынке, и такие варианты, как вспучивающиеся покрытия и материалы с фазовым переходом, вызывают повышенный интерес.

Многие из этих материалов с трудом выдерживают температуры выше 1500°C. Тем не менее, конечная цель состоит не обязательно в том, чтобы полностью остановить распространение вируса, а в том, чтобы задержать его как можно дольше. Помимо характеристик при высоких температурах, этим материалам все чаще приходится иметь дело с другими функциями, такими как совместимость с элементами, характеристики сжатия и стоимость. Быстро растущий рынок электромобилей с повышенным вниманием к пожарной безопасности предоставит множество возможностей для противопожарных материалов, и они не будут устранены альтернативными технологиями аккумуляторов, такими как твердотельные.