 Что происходит, когда литий-ионные аккумуляторы перегреваются и взрываются? Этот процесс впервые был прослежен внутри и снаружи группой университетского колледжа Лондона (UCL), используя усовершенствованную 3D визуализацию.
Понимание того, как литий-ионные аккумуляторы выходят из строя и потенциально приводят к опасным цепным реакциям, важно для улучшения их дизайна, чтобы сделать их более безопасными в использовании и транспортировке, согласно ученым, проводившим исследования.
Сотни миллионов этих аккумуляторов изготавливаются и транспортируются каждый год, и они являются неотъемлемой частью современной жизни, используясь для питания мобильных телефонов, ноутбуков, автомобилей и самолетов. Хотя отказ батареи происходит редко, ранее в этом году три авиакомпании объявили, что они больше не будут использовать литий-ионных батарей в их грузовых самолетах, после того как тесты Федеральной авиационной администрации США показали, что перегрев батареи может вызвать серьезные пожары.
Исследование UCL, ESRF, Имперского колледжа в Лондоне и Национальной физической лаборатории, опубликованное в Nature Communications, в первый раз показало, как повреждение внутренней структуры батарей развивается в режиме реального времени и обеспечивает индикацию о том, как это может распространяться на соседние батареи.
Первый автор, аспирант Донал Финеган (UCL Химическая инженерия), сказал: «Мы объединили синхротронное рентгеновское излучение высокой энергии и тепловидение для отображения изменений в структуре внутренней и внешней температуры двух типов литий-ионных батарей по мере того, как мы подвергали их экстремальным уровням тепла. Нам нужна исключительно высокая скорость визуализации, чтобы захватить «тепловой пробой» - процесс, когда батарея перегревается и может сгореть. Это было достигнуто в пучке синхотронного излучения ID15A ESRF, где 3D-изображения могут быть захвачены в долях секунды благодаря очень высокому потоку фотонов и детектору изображений с высокой скоростью».
Ранее рентгеновская компьютерная томография использовалась только для анализа механизмов отказа батареи после их фактического отказа со статическими изображениями и отслеживанием изменений в батарее при нормальных условиях эксплуатации.
Команда просмотрела последствия формирования газовых карманов, вентиляции и повышения температуры в слоях внутри двух различных коммерческих литий-ионных батареях по мере того, как они подвергались воздействию температур свыше 250° С.
Батарея с внутренней поддержки оставалась почти неизменной вплоть до начала теплового пробоя, после чего медный материала внутри клетки стал плавиться при температуре до ~1000° С Это тепло стало распространяться от внутренней стороны к внешней стороне батареи и в конечном итоге вызвало тепловой пробой.
В отличие от этого, батарея без внутренней поддержки взорвалась, в результате чего разлетелись все компоненты содержимого. До начала теплового пробоя, плотно упакованное ядро распалось, что привело к риску увеличения серьезных внутренних коротких замыканий и повреждения соседних объектов.
Корреспондирующий автор, доктор Пол Ширинг (UCL Химическая инженерия), сказал: «Хотя мы изучали только две коммерческих батареи, наши результаты показывают, насколько полезным может быть наш метод в отслеживании повреждения батареи в 3D и в реальном времени. Маловероятно, что процесс разрушения, который мы видели, произойдет при нормальных условиях, так как мы проделали долгий путь, чтобы вывести батареи из строя в результате воздействия на них условий за пределами безопасной эксплуатации. Это было важно для нас, чтобы лучше понять, как происходит отказ работы батарей. Надеюсь, с помощью нашего метода, разработки функций безопасности батарей могут быть оценены и улучшены».
Теперь команда планируют изучить то, что происходит с батареями большего размера и, в частности, они будут исследовать, какие изменения на микроскопическом уровне могут привести к отказу батареи.
|
