Какво се случва, когато EV батерия изгори?

Когато батерията на EV изгори, това обикновено се дължи на феномен, наречен „топлинно бягане“. Опростено казано, това е верижна реакция, която започва, когато клетка в батерията се прегрее по някаква причина, често поради външна физическа повреда, прегряване или презареждане (наричани „външни вреди“). Понякога може да се задейства от вътрешен проблем, като производствени дефекти или късо съединение в клетката на батерията (наричано „вътрешни тревоги“).

Горящата батерия на EV може да бъде особено обезпокоителна, тъй като, за разлика от традиционната кола с двигател с вътрешно горене, батериите в EV често се движат по дължината на превозното средство. След като една клетка в EV батериен пакет се запали, топлината може да причини запалване на близките клетки, което води до верижна реакция, която може бързо да погълне целия акумулаторен пакет и потенциално цялото превозно средство.

За да усложни проблема, най-често срещаният тип батерия, използвана в днешните електромобили, литиево-йонната батерия, съдържа запалими органични течни електролити. Това прави тези батерии по-податливи на запалване и експлозия при повреда или неправилно боравене. Освен това съществува специфичен риск, наречен „литиеви дендрити“, които са малки, игловидни издатини, които могат да се развият върху анода по време на зареждане. Ако тези дендрити станат достатъчно големи, те могат да пробият сепаратора, причинявайки късо съединение и евентуално водещо до ситуация на топлинен бегъл.

Следователно, целостта на структурата на батерията и качеството на сепараторите са решаващи фактори за осигуряване на безопасността на EV батерия. Като такива, качествените батерии се подлагат на различни стрес тестове, преди да напуснат фабриката, включително тест за „пробиване“, който симулира късо съединение, причинено от едновременното увреждане на положителните и отрицателните електроди и сепаратора.

Въпреки гореизложеното, важно е да се отбележи, че топлинното бягство в електромобилите е сравнително рядко и много производители, изследователи и институции работят усърдно за допълнително подобряване на безопасността на тези батерии. Един подход е разработването на твърдотелни батерии, които заменят запалимия течен електролит с незапалим твърд електролит. Въпреки това към 2023 г. тези батерии все още са до голяма степен в етап на проучване и разработка.

В първите дни на август 2023 г. NIO ES8 се сблъска с пътен стълб в Zhejiang, Китай, и избухна в пламъци за секунди, отнемайки живота на шофьора. Инцидентът все още се разследва. Само дни преди това, в края на юли, Tesla Model Y и Audi седан се сблъскаха в Dongguan, Guangdong. Теслата изгуби контрол, удари се в мантинела и избухна в пламъци.

Превъртаме малко назад и откриваме станция за смяна на батерии на NIO AUTO в Jiangmen, Гуангдонг, в пламъци. Причината? Батерията на потребител на NIO, дистанционно идентифицирана като повредена от външни сили, се запали по време на проверка при връщане в станцията.

Това са кошмарните сценарии, които много бензинови ентусиасти, съпротивителни на прегръдката на електрически превозни средства (EV), са си представяли, и най-трудният за облекчаване: безопасността на EV батериите. Този страх не е неоснователен; пожарите на батерията могат да бъдат по-тревожни при електромобилите, отколкото при конвенционалните автомобили. Например, батерията в EV е интегрирана в цялото превозно средство, което го прави склонен към пълно изгаряне в случай на пожар. Още по-обезпокоително е, че докато конвенционалните пожари на превозни средства обикновено се свързват с пътнотранспортни произшествия, електромобилите понякога могат да се запалят спонтанно, докато са в покой, което прави новините по-забележителни.

Често срещаните причини за тези инциденти с „топлинно бягане“ попадат в две категории: външни заплахи и вътрешни притеснения. Външните заплахи включват механично, термично и електрическо натоварване, обикновено поради злополуки, високи температури, презареждане или разреждане. В допълнение към възпламеняването при тежък сблъсък по време на пътни инциденти, NIO също съобщи за случай на спонтанно запалване на ES8 EV през 2019 г. по време на поддръжка поради късо съединение, причинено от компресия на структурата на батерията след удар с шаси. Почти всички останали китайски производители на електромобили съобщават за подобни случаи.

Така наречените вътрешни тревоги са многостранни. Настоящите литиево-йонни батерии, съставени главно от положителни и отрицателни електроди, сепаратори и електролит, представляват свои собствени уникални опасности. Например, феноменът на литиево покритие възниква, когато литиеви йони, движещи се в батерията, се натрупват върху тънката мембрана, разделяща електродите, образувайки литиеви дендрити. Тези дендрити могат да пробият мембраната, причинявайки късо съединение и бързо натрупване на топлина.

Следователно, целостта на структурата на батерията и качеството на сепаратора са решаващи определящи фактори за безопасността на батерията. Висококачествените батерии се подлагат на строги тестове, преди да напуснат фабриката, включително тест за „пробиване на пирон“ (макар и не универсално задължителен), насочен към късо съединение чрез увреждане на целостта на положителните и отрицателните електроди и сепаратора.

Имайки предвид това, естественият път към подобряване на безопасността изглежда ясен: заменете запалимия органичен електролит с неподвижен, непропусклив, термично стабилен твърд материал. Твърдотелните батерии се превърнаха в очевидната „следваща станция“ в пътната карта на индустрията за батерии за тяхната безопасност и енергийна плътност. Въпреки това, пътят към широкото приемане се оказа неуловим. Въпреки че Националната лаборатория в Оук Ридж на САЩ създаде първата твърда батерия още през 1990 г., последователните технологични пречки продължават.

В света на твърдотелните батерии има три основни системи за твърди електролитни материали: полимери, оксиди и сулфиди. Всеки има своите силни и слаби страни и всички трябва да се борят с предизвикателствата, свързани с мащабируемостта на производството и контрола на качеството, присъщи на комерсиализацията.

Скептиците се присмиват на намаления пробег на електрическите превозни средства през зимата поради лошото представяне на сегашните течни батерии при ниски температури, докато потенциалният риск от изгаряне по време на зареждане през лятото също е проблем. Това подчертава необходимостта от по-безопасна и по-ефективна батерия, която може да се справи с изискванията на всички сезони.

Експериментирането с 3D печат за създаване на сложни структури за твърди електролити показа известно обещание. Например, изследователи от Оксфордския университет са използвали 3D печат, за да конструират триизмерна рамка, пълна с твърд електролит, за подобряване на механичната якост и предотвратяване на лесно счупване. По подобен начин американската компания Sakuu използва технология за струйно свързване, за да нанесе необходимите електродни материали и твърди електролитни прахове върху субстрат и да ги „втвърди“ с течни реагенти.

Въпреки че 3D печатът може да предложи средство за разширяване на контактната площ на интерфейса и контрол на порьозността на материала, все още има големи препятствия за преодоляване, преди тези експериментални техники да могат да бъдат трансформирани в жизнеспособно, масово произвеждано решение. Балансирането на производителност и цена, постигането на мащабируемост и поддържането на строги стандарти за контрол на качеството са задаващите се предизвикателства, които държат тези обещаващи решения в лабораторията, а не на пътя.

Докато се впускаме във все по-електрическо бъдеще, присъщите рискове и постоянното търсене на подобрени мерки за безопасност държат индустрията в състояние на движение. Въпреки плашещите предизвикателства, походът към по-безопасна и по-ефективна индустрия за електрически превозни средства продължава, подхранван от безмилостни иновации и ангажираност към устойчиво бъдеще. Както винаги, New Yorker ще следи внимателно тези развития, готов да предложи представа и анализ за предстоящото пътуване.