Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы / Хабр

Последнее время тема самовозгорания литий-ионных аккумуляторов часто мелькает в заголовках новостей: то смартфон загорится, то ховерборд, а то и автомобиль. Так что же происходит внутри аккумулятора во время термического разгона и почему возникает самовозгорание?

Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода и катода, разделённых пористым полимерным сепаратором. Активным материалом катода чаще всего являются оксиды переходных металлов со встроенными в кристалл ионами лития. В аноде обычно используется графит. Электролит, которым залита электрохимическая ячейка, представляет собой органический раствор солей лития. При первой зарядке, производимой фирмой-изготовителем, при встраивании лития в анод на электродах (особенно на аноде) образуется защитный ион-проводящий слой (SEI), состоящий из разложившегося электролита. Этот слой защищает электроды от паразитических реакций с электролитом.

Чаще всего причиной самовозгорания аккумуляторов является короткое замыкание внутри электрохимической ячейки. Электрический контакт между анодом и катодом может возникнуть по многим причинам. Это может быть, например, механическое повреждение ячейки. Ещё внутреннее короткое замыкание возникает из-за нарушения технологии производства при неровной нарезке электродов или попадании металлических частиц между анодом и катодом, что ведёт ко повреждению пористого сепаратора. Также причиной внутреннего короткого замыкания может быть «прорастание» цепочек металлического лития (дендритов) через сепаратор. Такой эффект возникает, если ионы лития не успевают встроиться в кристалл анода при слишком быстрой зарядке или низкой температуре, а также если ёмкость активного материала катода превышает ёмкость анода, в результате чего на поверхности анода появляются микроскопические отложения, которые постепенно растут.

Итак, после того, как произошло короткое замыкание, аккумулятор начинает нагреваться. Когда температура достигает 70-90 °C, ион-проводящий защитный слой на аноде начинает разлагаться. А дальше литий, встроенный в анод, вступает в реакцию с электролитом, выделяя летучие углеводороды: этан, метан, этилен и т.д. Но, несмотря на наличие такой взрывоопасной смеси, возгорания не происходит, так как в системе пока нет кислорода.

Так как реакции с электролитом экзотермические, температура и давление внутри аккумулятора продолжают повышаться. Когда температура достигает 180-200 °C, материал катода, обычно представляющий из себя оксид переходных металлов со встроенным в кристалл литием, вступает в реакцию диспропорционирования и выделяет кислород. Вот тут-то и происходит самовозгорание и ещё более резкий скачок температуры. Параллельно идёт термическое разложение электролита (200-300 °C), также выделяющее тепло. Выглядит это так:

И, в конце концов, в реакцию с электролитом (если он ещё остался) вступает графит, а когда температура достигает 660 °C, плавится алюминиевый токоприёмник.

Выше 900°C температура обычно не поднимается, так как разлагаться уже нечему.

Помимо внутреннего короткого замыкания существуют и другие причины самовозгорания: перегрев аккумулятора, неправильная зарядка/разрядка (превышение максимально допустимого напряжения, зарядка на высоких токах, слишком глубокая разрядка), и т.д. Но все эти причины приводят к одному результату: термическому разгону и разложению электролита при взаимодействии с электродами. Различаются только порядки вышеописанных реакций и их скорость.

Естественно, производители аккумуляторов предусмотрели системы защиты от самовозгорания, и чем больше и мощнее аккумулятор, тем больше степеней защиты он содержит. Одним из видов защиты от небольшого короткого замыкания является пористый сепаратор, который при локальном повышении температуры становится непроницаемым и препятствует, к примеру, дальнейшему росту дендритов внутри аккумулятора. Но иногда температура повышается слишком быстро, и сепаратор просто плавится, в результате чего анод соприкасается с катодом.

Также аккумуляторы оборудованы предохранителями и клапанами, которые при повышении давления и температуры внутри либо отключают электроды от цепи, либо способствуют выходу наружу скопившегося газа. В последнем случае, так как газы легковоспламеняющиеся, при контакте с кислородом снаружи возникает пламя. Пример действия защитных клапанов можно было наблюдать при аварии с участием автомобиля Тесла Model S, где аккумулятор был пробит крупным металлическим предметом. Так как в Тесле клапаны аккумуляторов были направлены вниз на асфальт и отдельные блоки были хорошо изолированы друг от друга, сгорела лишь передняя часть аккумулятора (как сказал Элон Маск, если бы тот же металлический предмет пробил бак с бензином, машины бы сгорела целиком).

Кстати, термическая изоляция отдельных блоков в крупном аккумуляторе очень важна. Если в вышеупомянутом примере аккумулятор Теслы не загорелся полностью из-за хорошей термоизоляции, то в случае аккумулятора на борту Боинга 787 самовозгорание произошло из-за того, что блоки были недостаточно изолированы друг от друга, что привело к перегреву всей системы.

Также литий-ионные аккумуляторы оснащены контроллерами, сенсорами, балансирами заряда, и т.д. Подробнее про системы безопасности аккумуляторов можно почитать тут.

Как видно из этого поста, самый опасный компонент аккумулятора- электролит, который разлагается на легковоспламеняющиеся компоненты при повышении температуры. На сегодняшний день учёные пытаются найти более стабильные альтернативы: ионные жидкости, полимерные электролиты, твёрдотельные керамические электролиты и т.д. Но это-отдельная тема…

Источники:

» Journal of The Electrochemical Society, 158 3 R1-R25 2011
» Journal of Power Sources 208 (2012) 210– 224
» www.electrochem.org/dl/interface/sum/sum12/sum12_p037_044.pdf
» www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php
» www.treehugger.com/cars/elon-musk-letter-explains-why-tesla-model-s-caught-fire.html

В ЛЭТИ разработали первую в России установку для автоматизированной сварки литий-ионных аккумуляторов

Устройство с помощью технологии точечной сварки способно быстро и безопасно собрать литий-ионные батареи в единый массив различных размеров.

18.01.2022 1776

Литий-ионные батареи – это тип электрического аккумулятора, который сегодня активно используется в бытовой электронике и электротранспорте. В частности, для питания электроинструмента, ноутбуков, электросамокатов, электромобилей и электробусов используются сборки из цилиндрических аккумуляторов. Одними из наиболее распространенных являются аккумуляторы 18650, внешне похожие на обычные одноразовые батарейки. Массивы различных размеров (для ноутбука достаточно трех аккумуляторов, а для самоката – несколько десятков) соединяются с помощью никелевой ленты.

Соединение литий-ионных аккумуляторов в единую структуру невозможно выполнить с помощью пайки, так как процесс занимает относительно много времени (несколько секунд или дольше), в течение которого батарейка может перегреться и выйти из строя. Поэтому основным методом является точечная сварка никелевой лентой – она обладает высокой производительностью (несколько сотен соединений в минуту) и не перегревает аккумуляторы, поскольку нагревание элементов для соединения происходит за треть секунды.

Однако в России оборудование для использования данной технологии не производится.

«Мы разработали первую отечественную установку для точечной сварки, с помощью которой можно быстро и надежно соединять цилиндрические литий-ионные аккумуляторы в единые батареи».

Инженер кафедры электротехнологической и преобразовательной техники (ЭТПТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Евстратов

Устройство выполнено в двух конфигурациях. Вариант, с помощью которого батареи скрепляются вручную, можно использовать в бытовых условиях. Помимо этого, ученые ЛЭТИ разработали установку для автоматической сварки батарей, состоящих из большого числа литий-ионных аккумуляторов. Действующий прототип имеет рабочую площадь 40х40 см. Однако с помощью универсального подхода к созданию программного кода, используемого в ЛЭТИ, разработку можно масштабировать и использовать на больших рабочих областях для сборки аккумуляторных батарей любых конфигураций в промышленных объемах.

Оба варианта устройства для точечной сварки используют для соединения аккумуляторов никелевую ленту.

«Наша конечная цель – внедрить разработку в компании, которые занимаются сборкой и восстановлением аккумуляторных батарей. Сегодня они используют зарубежные аналоги приборов для точечной сварки. В отличие от них, наша разработка является более дешевой и компактной. Мы рассчитываем, что в будущем внедрение такой системы позволит значительно повысить производительность труда в сфере сборки литий-ионных батарей», – отмечает заместитель заведующего кафедрой ЭТПТ по учебной работе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Валентинович Ишин.

Проект был поддержан грантом молодежного конкурса инновационных проектов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2021 году.

---

MIT Spinout 24M Technologies разработала батарею, которая снижает стоимость производства литий-ионных элементов

MIT Spinout 24M Technologies разработала батарею, которая снижает стоимость производства литий-ионных элементов.

Когда речь заходит об инновациях в области батарей, большое внимание уделяется потенциальным новым химическим веществам и материалам. Часто упускается из виду важность производственных процессов для снижения затрат.

Теперь компания 24M Technologies, дочерняя компания MIT, упростила производство литий-ионных аккумуляторов благодаря новой конструкции, которая требует меньше материалов и меньше операций для производства каждого элемента. Компания заявляет, что конструкция, которую они называют «SemiSolid» из-за использования липких электродов, снижает производственные затраты до 40 процентов. Такой подход также повышает плотность энергии, безопасность и возможность вторичной переработки аккумуляторов.

Судя по интересу отрасли, 24M что-то нащупал. После выхода из скрытого режима в 2015 году 24M предоставила лицензии на свои технологии транснациональным компаниям, включая Volkswagen, Fujifilm, Lucas TVS, Axxiva и Freyr.

Последние три компании планируют построить гигафабрики (фабрики с годовой производственной мощностью гигаватт) на основе технологии 24M в Индии, Китае, Норвегии и США.

Наоки Ота , генеральный директор 24M, сказал:

Платформа SemiSolid была проверена на производстве сотен мегаватт для бытовых систем накопления энергии. Теперь мы хотим доказать это на гигаваттном масштабе.

Создание крупносерийных производственных линий — это только первый этап плана 24М. Еще одним ключевым преимуществом конструкции батареи является то, что она может работать с различными комбинациями литий-ионных химических элементов. Это означает, что партнеры 24M могут внедрять в производство более эффективные материалы без существенного изменения производственных процессов.

Быстрое крупномасштабное производство аккумуляторов следующего поколения, которое 24M надеется обеспечить, может оказать существенное влияние на распространение аккумуляторов в обществе — от стоимости и производительности электромобилей до способности возобновляемых источников энергии заменить ископаемое топливо. .

«Это платформенная технология, — говорит Ота. «Мы не просто недорогой и надежный оператор. Это то, чем мы являемся сегодня, но мы также можем конкурировать с химией следующего поколения. Мы можем использовать любую химию на рынке без изменения цепочек поставок клиентами. Другие стартапы пытаются решить эту проблему завтра, а не сегодня. Наши технологии могут решить эту проблему сегодня и завтра».

Упрощенная конструкция

Чанг,   , профессор материаловедения и инженерии Kyocera Массачусетского технологического института,   впервые столкнулся с крупномасштабным производством аккумуляторов после того, как в 2001 году стал соучредителем другой компании по производству аккумуляторов, A123 Systems. Когда в конце 2000-х эта компания готовилась стать публичной, Чан начал задаваться вопросом, сможет ли он разработать аккумулятор, который будет проще в производстве.

Йет-Минг Чанг, соучредитель 24M, главный научный сотрудник и профессор Массачусетского технологического института сказал:

Я получил представление о том, как выглядело производство аккумуляторов, и что меня поразило, так это то, что, несмотря на то, что нам это удалось, это был невероятно сложный производственный процесс.

«Он произошел от производства магнитной ленты, которая была адаптирована для батарей в конце 1980-х годов».

В своей лаборатории в Массачусетском технологическом институте, где он является профессором с 1985 года, Чан начал с нуля с нового типа устройства, которое он назвал «полутвердоточной батареей», которое перекачивает жидкости, несущие электроды на основе частиц, в резервуары и из них в хранилище. заряд.

В 2010 году Чанг стал партнером У. Крейга Картера, профессора материаловедения и инженерии POSCO Массачусетского технологического института, и два профессора руководили студентом Михаем Дудутой 11 года, который исследовал проточные батареи для своей дипломной работы. В течение месяца Дудута разработал прототип в лаборатории Чанга, и так родилась 24M. (Дудута был первым сотрудником компании.)

Но даже когда 24M работала с Отделом лицензирования технологий Массачусетского технологического института (TLO) над коммерциализацией исследований, проведенных в лаборатории Чанга, люди в компании, включая Дудуту, начали переосмысливать концепцию проточной батареи. Внутренний анализ затрат, проведенный Картером, который консультировал 24M в течение нескольких лет, в конечном итоге заставил исследователей изменить направление.

Это оставило компанию с большим количеством липкой суспензии, из которой состояли электроды в их проточных батареях. Через несколько недель после проведенного Картером анализа затрат Дудута, в то время старший научный сотрудник компании 24M, решил начать использовать суспензию для ручной сборки аккумуляторов, смешивая липкие электроды непосредственно с электролитом. Идея прижилась.

Основными компонентами батарей являются положительно и отрицательно заряженные электроды и материал электролита, который позволяет ионам течь между ними. В традиционных литий-ионных батареях используются твердые электроды, отделенные от электролита слоями инертного пластика и металлов, которые удерживают электроды на месте.

Отказ от инертных материалов традиционных батарей и использование липкой электродной смеси дает конструкции 24M ряд преимуществ.

Во-первых, исключается энергоемкий процесс сушки и затвердевания электродов в традиционном литий-ионном производстве. Компания заявляет, что это также снижает потребность в более чем 80 процентах неактивных материалов в традиционных батареях, включая дорогие, такие как медь и алюминий.

Конструкция также не требует связующего и имеет очень толстые электроды, повышающие плотность энергии батарей.

«Когда вы создаете компанию, разумнее всего пересмотреть все свои предположения и задаться вопросом, как лучше всего достичь своих целей, что в нашем случае было простым производством недорогих батарей», — говорит Чанг. .

«Мы решили, что наша реальная ценность заключается в создании литий-ионной суспензии, которая была бы электрохимически активной с самого начала, с электролитом в ней, и вы просто используете электролит в качестве растворителя для обработки».

В 2017 году компания 24M приняла участие в программе STEX25 Startup Accelerator программы MIT Industrial Liaison Program, в ходе которой Чанг и его сотрудники установили важные отраслевые связи, которые помогли ей заключить первые партнерские отношения. 24M также сотрудничает с исследователями Массачусетского технологического института в проектах, финансируемых Министерством энергетики.

Революция в области аккумуляторов

Большинство партнеров 24M присматриваются к быстрорастущему рынку электромобилей для своих аккумуляторов, и основатели считают, что их технология ускорит внедрение электромобилей. (По данным Института энергетических исследований, стоимость аккумуляторов составляет от 30 до 40 процентов от стоимости электромобилей).

«Литий-ионные аккумуляторы значительно улучшились за эти годы, но даже Илон Маск говорит, что нам нужны революционные технологии», — говорит Ота, имея в виду генерального директора Tesla, специализирующейся на производстве электромобилей.

«Чтобы сделать электромобили более распространенными, нам нужен прорыв в стоимости производства; мы не можем просто полагаться на снижение затрат за счет масштабирования, потому что сегодня мы уже производим много батарей».

24M также работает над апробацией новых химических элементов аккумуляторов, которые ее партнеры могли бы быстро внедрить в свои гигафабрики. В январе этого года компания 24M получила грант от программы ARPA-E Министерства энергетики на разработку и масштабирование батареи с высокой плотностью энергии, в которой используется литий-металлический анод и полутвердый катод для использования в электрической авиации.

Этот проект — один из многих проектов по всему миру, направленных на проверку новых химических свойств литий-ионных аккумуляторов, которые могут привести к долгожданной революции в области аккумуляторов. Поскольку 24M продолжает способствовать созданию крупномасштабных глобальных производственных линий, команда считает, что у нее есть хорошие возможности для превращения лабораторных инноваций в повсеместные, меняющие мир продукты.

«Эта технология является платформой, и наше видение состоит в том, чтобы быть похожей на Android [операционную систему] Google, где другие люди могут создавать вещи на нашей платформе», — говорит Ота.

«Мы хотим сделать это, но аппаратно. Вот почему мы лицензируем технологию. Наши партнеры могут использовать одни и те же производственные линии, чтобы получить преимущества новых химических веществ и подходов. Эта платформа дает каждому больше возможностей».

ПРОЧИТАТЬ последние новости о батареях, формирующие рынок аккумуляторов

Упрощение производства литий-ионных аккумуляторов, 25 ноября 2022 г. пистолет для гвоздей

Том Данн 18:47 пн 21 ноября 2022 г.

Ребята из iFixit сняли это видео о безопасности аккумуляторов, которое пугающе похоже на домашние эксперименты, которые мы с друзьями проводили в старшей школе. Но они делают это с лучшими мерами предосторожности и более обдуманными намерениями, чем «эй, а что, если бы мы облажались с этим». И вау, это хорошее напоминание о том, насколько опасной может быть батарея (во всяком случае, при неправильном обращении).

• Взрыв, который, по разным утверждениям, был вызван грузовиком, лодкой или обстрелом, разрушил пролет недавно открытого автомобильного моста, соединяющего Россию и Крым, и вызвал серьезный пожар на соседнем железнодорожном мосту. Россия утверждает, что мост уже был вновь открыт в последующие часы, и что сообщается о трех людях… ЧИТАТЬ ОСТАЛЬНОЕ

• Вчера пожарные из Университета имени Бригама Янга и города Прово, штат Юта, были направлены на тушение пожара в студенческом общежитии. Оказывается, жители «готовили самодельное ракетное топливо на плите, когда летучая смесь внезапно взорвалась, превратившись в огненный шар», говорится в отчете полиции. К счастью, пожар потушили быстро, никто не пострадал, хотя… ЧИТАТЬ ОСТАЛЬНОЕ

• Нет ничего лучше, чем проехать мимо взрывающегося люка через одну полосу, чтобы получить заряд адреналина. И что вызывает такие извержения? В комментариях на YouTube человек, разместивший это видео, сказал, что городской рабочий подумал, что виновником мог быть электрический взрыв, отметив, что в этом районе отключилось электричество, в то время как… ЧИТАТЬ ОСТАЛЬНОЕ

• Мы благодарим нашего спонсора за то, что он сделал этот контент возможным; он не написан редакцией и не обязательно отражает ее точку зрения. Это время, чтобы выразить благодарность друзьям, семье, хорошим временам и дарам, которые Мать-Земля любезно принесла на наши столы. (TYSM для нее, хотя люди были очень неблагодарны… ПРОЧИТАЙТЕ ОСТАЛЬНОЕ

• Мы благодарим нашего спонсора за то, что он сделал этот контент возможным; он не написан редакцией и не обязательно отражает ее точку зрения. В настоящее время обеспечение безопасности нашей личной информации важнее, чем когда-либо. Частная телефонная линия от Hush может скрыть ваш фактический номер телефона при подписке на информационные бюллетени, онлайн-знакомства или всякий раз, когда вам нужно.