Τι συμβαίνει όταν καίγεται μια μπαταρία EV;

Όταν καίγεται μια μπαταρία EV, συνήθως οφείλεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται «θερμική διαφυγή». Με απλοποιημένους όρους, είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση που ξεκινά όταν μια κυψέλη της μπαταρίας υπερθερμαίνεται για κάποιο λόγο, συχνά λόγω εξωτερικής φυσικής βλάβης, υπερθέρμανσης ή υπερφόρτισης (αναφέρεται ως «εξωτερικές βλάβες»). Μερικές φορές, μπορεί να προκληθεί από ένα εσωτερικό πρόβλημα, όπως κατασκευαστικά ελαττώματα ή βραχυκύκλωμα εντός της κυψέλης της μπαταρίας (αναφέρεται ως «εσωτερικές ανησυχίες»).

Μια μπαταρία EV που καίγεται μπορεί να είναι ιδιαίτερα ανησυχητική επειδή, σε αντίθεση με ένα παραδοσιακό αυτοκίνητο με κινητήρα εσωτερικής καύσης, οι μπαταρίες στα ηλεκτρικά ηλεκτρικά οχήματα συχνά λειτουργούν σε όλο το μήκος του οχήματος. Μόλις ένα στοιχείο σε μια μπαταρία EV πάρει φωτιά, η θερμότητα μπορεί να προκαλέσει φωτιά και σε κοντινές κυψέλες, οδηγώντας σε μια αλυσιδωτή αντίδραση που μπορεί να καταπιεί γρήγορα ολόκληρο το πακέτο μπαταριών και, ενδεχομένως, ολόκληρο το όχημα.

Για να επιδεινωθεί το πρόβλημα, ο πιο κοινός τύπος μπαταρίας που χρησιμοποιείται στα σημερινά EV, η μπαταρία ιόντων λιθίου, περιέχει εύφλεκτους οργανικούς υγρούς ηλεκτρολύτες. Αυτό καθιστά αυτές τις μπαταρίες πιο επιρρεπείς στο να πιάσουν φωτιά και να εκραγούν όταν καταστραφούν ή δεν χειρίζονται σωστά. Επιπλέον, υπάρχει ένας συγκεκριμένος κίνδυνος που ονομάζεται «δενδρίτες λιθίου», οι οποίοι είναι μικροσκοπικές, βελονοειδείς προεξοχές που μπορούν να αναπτυχθούν στην άνοδο κατά τη φόρτιση. Εάν αυτοί οι δενδρίτες μεγαλώσουν αρκετά, μπορούν να τρυπήσουν τον διαχωριστή, προκαλώντας βραχυκύκλωμα και πιθανώς οδηγώντας σε κατάσταση θερμικής φυγής.

Επομένως, η ακεραιότητα της δομής της μπαταρίας και η ποιότητα των διαχωριστών είναι κρίσιμοι παράγοντες για τη διασφάλιση της ασφάλειας μιας μπαταρίας EV. Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες ποιότητας υποβάλλονται σε διάφορες δοκιμές καταπόνησης πριν φύγουν από το εργοστάσιο, συμπεριλαμβανομένου ενός τεστ «διάτρησης» που προσομοιώνει βραχυκύκλωμα που προκαλείται από την ταυτόχρονη ζημιά στα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια και στον διαχωριστή.

Παρά τα παραπάνω, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η θερμική διαφυγή στα ηλεκτρικά οχήματα είναι σχετικά σπάνια και πολλοί κατασκευαστές, ερευνητές και ιδρύματα εργάζονται επιμελώς για να βελτιώσουν περαιτέρω την ασφάλεια αυτών των μπαταριών. Μια προσέγγιση είναι η ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης, οι οποίες αντικαθιστούν τον εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη με έναν μη εύφλεκτο στερεό. Ωστόσο, από το 2023, αυτές οι μπαταρίες βρίσκονται ακόμη σε μεγάλο βαθμό στο στάδιο έρευνας και ανάπτυξης.

Τις πρώτες μέρες του Αυγούστου 2023, ένα NIO ES8 συγκρούστηκε με κολόνα του δρόμου στο Zhejiang της Κίνας και ξέσπασε στις φλόγες μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, στοιχίζοντας τη ζωή του οδηγού. Το περιστατικό βρίσκεται ακόμη υπό διερεύνηση. Λίγες μέρες πριν, στα τέλη Ιουλίου, ένα Tesla Model Y και ένα Audi sedan συγκρούστηκαν στο Dongguan, στο Guangdong. Το Tesla έχασε τον έλεγχο, χτύπησε σε προστατευτικό κιγκλίδωμα και τυλίχθηκε στις φλόγες.

Γυρίστε λίγο πιο πίσω και βρίσκουμε έναν σταθμό ανταλλαγής μπαταριών NIO AUTO στο Jiangmen, στο Guangdong, να φλέγεται. Η αιτία? Η μπαταρία ενός χρήστη NIO, η οποία αναγνωρίστηκε εξ αποστάσεως ως κατεστραμμένη από εξωτερικές δυνάμεις, πήρε φωτιά κατά την επιθεώρηση κατά την επιστροφή στο σταθμό.

Αυτά είναι τα εφιαλτικά σενάρια που έχουν φανταστεί πολλοί λάτρεις της βενζίνης που αντιστέκονται στην αγκαλιά των ηλεκτρικών οχημάτων (EV) και τα πιο δύσκολα να μετριαστούν: την ασφάλεια των μπαταριών EV. Αυτός ο φόβος δεν είναι αβάσιμος. Οι πυρκαγιές μπαταριών μπορεί να είναι πιο ανησυχητικές στα EV από τα συμβατικά αυτοκίνητα. Για παράδειγμα, η μπαταρία σε ένα EV είναι ενσωματωμένη σε όλο το όχημα, καθιστώντας το επιρρεπές σε πλήρη καύση σε περίπτωση πυρκαγιάς. Ακόμη πιο ανησυχητικό, ενώ οι πυρκαγιές σε συμβατικά οχήματα συνδέονται γενικά με τροχαία ατυχήματα, τα EV μπορεί μερικές φορές να καούν αυθόρμητα ενώ βρίσκονται σε ηρεμία, κάνοντας τα νέα πιο σημαντικά.

Οι συνήθεις λόγοι για αυτά τα περιστατικά «θερμικής διαφυγής» χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: εξωτερικές απειλές και εσωτερικές ανησυχίες. Οι εξωτερικές απειλές περιλαμβάνουν μηχανική κατάχρηση, θερμική κατάχρηση και ηλεκτρική κατάχρηση, συνήθως λόγω ατυχημάτων, υψηλών θερμοκρασιών, υπερφόρτισης ή εκφόρτισης. Εκτός από την ανάφλεξη πυρκαγιάς σε σοβαρή σύγκρουση κατά τη διάρκεια τροχαίων συμβάντων, η NIO ανέφερε επίσης ένα συμβάν αυθόρμητης καύσης ενός ES8 EV το 2019 κατά τη διάρκεια της συντήρησης λόγω βραχυκυκλώματος που προκλήθηκε από συμπίεση της δομής της μπαταρίας μετά από πρόσκρουση στο πλαίσιο. Σχεδόν όλοι οι άλλοι Κινέζοι κατασκευαστές EV έχουν αναφέρει παρόμοιες περιπτώσεις.

Οι λεγόμενες εσωτερικές ανησυχίες είναι πολύπλευρες. Οι τρέχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου, που αποτελούνται κυρίως από θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια, διαχωριστές και ηλεκτρολύτη, παρουσιάζουν τους δικούς τους μοναδικούς κινδύνους. Για παράδειγμα, το φαινόμενο της επιμετάλλωσης λιθίου συμβαίνει όταν ιόντα λιθίου που κινούνται εντός της μπαταρίας συσσωρεύονται στη λεπτή μεμβράνη που χωρίζει τα ηλεκτρόδια, σχηματίζοντας δενδρίτες λιθίου. Αυτοί οι δενδρίτες μπορούν να τρυπήσουν τη μεμβράνη, προκαλώντας βραχυκύκλωμα και ταχεία συσσώρευση θερμότητας.

Ως εκ τούτου, η ακεραιότητα της δομής της μπαταρίας και η ποιότητα του διαχωριστή είναι καθοριστικοί παράγοντες για την ασφάλεια της μπαταρίας. Οι μπαταρίες υψηλής ποιότητας υποβάλλονται σε αυστηρές δοκιμές πριν φύγουν από το εργοστάσιο, συμπεριλαμβανομένης της δοκιμής «διείσδυσης καρφιών» (αν και δεν είναι γενικά υποχρεωτική) με στόχο το βραχυκύκλωμα βλάπτοντας την ακεραιότητα των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων και του διαχωριστή.

Έχοντας αυτό υπόψη, η φυσική πορεία προς τη βελτίωση της ασφάλειας φαίνεται ξεκάθαρη: αντικαταστήστε τον εύφλεκτο οργανικό ηλεκτρολύτη με ένα ακίνητο, μη διαρροή, θερμικά σταθερό στερεό υλικό. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχουν γίνει ο προφανής «επόμενος σταθμός» στον οδικό χάρτη της βιομηχανίας μπαταριών για την ασφάλεια και την ενεργειακή τους πυκνότητα. Ωστόσο, το ταξίδι προς την ευρεία υιοθεσία έχει αποδειχτεί άπιαστο. Παρά το γεγονός ότι το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge των ΗΠΑ δημιούργησε την πρώτη μπαταρία στερεάς κατάστασης ήδη από το 1990, εξακολουθούν να υπάρχουν σταθερά τεχνολογικά εμπόδια.

Στον κόσμο των μπαταριών στερεάς κατάστασης, υπάρχουν τρία κύρια συστήματα για στερεά υλικά ηλεκτρολυτών: πολυμερή, οξείδια και σουλφίδια. Το καθένα έχει τα δικά του δυνατά και αδύνατα σημεία και όλα πρέπει να αντιμετωπίσουν τις προκλήσεις της επεκτασιμότητας της παραγωγής και του ποιοτικού ελέγχου που είναι εγγενείς στην εμπορευματοποίηση.

Οι σκεπτικιστές χλευάζουν τη μειωμένη αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων το χειμώνα λόγω της κακής απόδοσης των τρεχουσών μπαταριών υγρών σε χαμηλή θερμοκρασία, ενώ ο πιθανός κίνδυνος καύσης κατά τη φόρτιση το καλοκαίρι είναι επίσης ανησυχητικός. Αυτό υπογραμμίζει την ανάγκη για μια ασφαλέστερη, πιο αποδοτική μπαταρία που μπορεί να αντεπεξέλθει στις απαιτήσεις όλων των εποχών.

Ο πειραματισμός με την τρισδιάστατη εκτύπωση για τη δημιουργία πολύπλοκων δομών για στερεούς ηλεκτρολύτες έχει δείξει κάποια υποσχέσεις. Για παράδειγμα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης χρησιμοποίησαν τρισδιάστατη εκτύπωση για να κατασκευάσουν ένα τρισδιάστατο πλαίσιο, γεμάτο με στερεό ηλεκτρολύτη, για να βελτιώσουν τη μηχανική αντοχή και να αποτρέψουν την εύκολη θραύση. Ομοίως, η αμερικανική εταιρεία Sakuu χρησιμοποιεί τεχνολογία εκτόξευσης συνδετικού υλικού για να εναποθέσει τα απαιτούμενα υλικά ηλεκτροδίων και στερεές σκόνες ηλεκτρολυτών σε ένα υπόστρωμα και να τα «στερεοποιήσει» με υγρά αντιδραστήρια.

Ενώ η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να προσφέρει ένα μέσο για την επέκταση της περιοχής επαφής της διεπαφής και τον έλεγχο του πορώδους του υλικού, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν πριν αυτές οι πειραματικές τεχνικές μπορούν να μετατραπούν σε μια βιώσιμη, μαζικής παραγωγής λύση. Η εξισορρόπηση της απόδοσης και του κόστους, η επίτευξη επεκτασιμότητας και η διατήρηση αυστηρών προτύπων ποιοτικού ελέγχου είναι οι διαφαινόμενες προκλήσεις που κρατούν αυτές τις πολλά υποσχόμενες λύσεις στο εργαστήριο και όχι στο δρόμο.

Καθώς κινούμαστε σε ένα ολοένα και πιο ηλεκτρικό μέλλον, οι εγγενείς κίνδυνοι και η συνεχής επιδίωξη βελτιωμένων μέτρων ασφαλείας κρατούν τη βιομηχανία σε μια κατάσταση ροής. Παρά τις τρομακτικές προκλήσεις, η πορεία προς μια ασφαλέστερη, πιο αποτελεσματική βιομηχανία ηλεκτρικών οχημάτων συνεχίζεται, τροφοδοτούμενη από την αμείλικτη καινοτομία και τη δέσμευση για ένα βιώσιμο μέλλον. Όπως πάντα, το New Yorker θα παρακολουθεί προσεκτικά αυτές τις εξελίξεις, έτοιμο να προσφέρει διορατικότητα και ανάλυση για το ταξίδι που ακολουθεί.