Mis juhtub, kui EV aku põleb?

Kui EV aku põleb, on see tavaliselt tingitud nähtusest, mida nimetatakse "termiliseks põgenemiseks". Lihtsustatult öeldes on see ahelreaktsioon, mis algab siis, kui aku element kuumeneb mingil põhjusel üle, sageli välise füüsilise kahjustuse, ülekuumenemise või ülelaadimise tõttu (mida nimetatakse "välisteks kahjustusteks"). Mõnikord võib selle käivitada sisemine probleem, näiteks tootmisdefektid või lühis akuelemendis (mida nimetatakse "sisemisteks muredeks").

Põlev EV aku võib olla eriti murettekitav, sest erinevalt traditsioonilisest sisepõlemismootoriga autost töötavad elektrisõidukite akud sageli kogu sõiduki pikkuses. Kui elektrisõidukite aku üks element süttib, võib kuumus põhjustada ka läheduses asuvate elementide süttimist, mis võib viia ahelreaktsioonini, mis võib kiiresti haarata kogu aku ja potentsiaalselt ka kogu sõiduki.

Probleemi suurendamiseks sisaldab tänapäeva elektrisõidukites kasutatav kõige levinum akutüüp, liitiumioonaku, tuleohtlikke orgaanilisi vedelaid elektrolüüte. See muudab need akud kahjustumise või ebaõige käsitsemise korral süttimis- ja plahvatusohtlikumaks. Lisaks on konkreetne oht, mida nimetatakse liitiumdendriitideks, mis on väikesed nõelakujulised eendid, mis võivad laadimise ajal anoodile tekkida. Kui need dendriidid kasvavad piisavalt suureks, võivad nad separaatorit läbi torgata, põhjustades lühise ja võib-olla põhjustada termilise põgenemise.

Seetõttu on aku struktuuri terviklikkus ja separaatorite kvaliteet üliolulised tegurid EV aku ohutuse tagamisel. Kvaliteetsed akud läbivad enne tehasest lahkumist mitmesuguseid koormusteste, sealhulgas läbitorketesti, mis simuleerib lühist, mis on põhjustatud positiivse ja negatiivse elektroodi ja separaatori samaaegsest kahjustusest.

Vaatamata ülaltoodule on oluline märkida, et elektrisõidukites on termiline ärajooks suhteliselt haruldane ning paljud tootjad, teadlased ja institutsioonid töötavad usinalt, et nende akude ohutust veelgi parandada. Üks lähenemisviis on tahkisakude väljatöötamine, mis asendavad tuleohtliku vedela elektrolüüdi mittesüttiva tahkega. 2023. aasta seisuga on need akud aga suures osas veel uurimis- ja arendusjärgus.

2023. aasta augusti esimestel päevadel põrkas NIO ES8 Hiinas Zhejiangis kokku teesambaga ja süttis mõne sekundi jooksul leekidesse, nõudes juhi elu. Juhtum on endiselt uurimisel. Mõni päev varem, juuli lõpus, põrkasid Guangdongi osariigis Dongguanis kokku Tesla Model Y ja Audi sedaan. Tesla kaotas juhitavuse, põrkas vastu piirdeid ja süttis leeki.

Kerige veidi edasi ja me leiame Guangdongi osariigis Jiangmenis asuva NIO AUTO akuvahetusjaama, mis põleb. Põhjus? NIO kasutaja aku, mis on kaugjuhtimisega tuvastatud väliste jõudude poolt kahjustatud, süttis jaama naasmisel ülevaatuse käigus.

Need on õudusunenäolised stsenaariumid, mida paljud elektrisõidukitele vastupidavad bensiinihuvilised on ette kujutanud ja mida on kõige raskem leevendada: elektrisõidukite akude ohutus. See hirm ei ole alusetu; akupõlengud võivad elektrisõidukites olla murettekitavamad kui tavaautodes. Näiteks elektrisõiduki aku on kogu sõidukisse integreeritud, muutes selle tulekahju korral altid täielikuks põlemiseks. Veelgi murettekitavam on see, et kui tavapäraseid sõidukite tulekahjusid seostatakse üldiselt liiklusõnnetustega, võivad elektrisõidukid mõnikord puhkeolekus iseeneslikult süttida, muutes uudised silmapaistvamaks.

Nende "termilise põgenemise" vahejuhtumite tavalised põhjused jagunevad kahte kategooriasse: välised ohud ja sisemised mured. Välised ohud hõlmavad mehaanilist kuritarvitamist, termilist kuritarvitamist ja elektrilist kuritarvitamist, mis on tavaliselt tingitud õnnetustest, kõrgetest temperatuuridest, ülelaadimisest või tühjenemisest. Lisaks põlema süttimisele liiklusõnnetuste ajal toimunud tõsisel kokkupõrkel, teatas NIO ka ES8 EV iseeneslikust süttimisest 2019. aastal hoolduse käigus, mis oli tingitud lühisest, mille põhjustas aku konstruktsiooni kokkusurumise tõttu pärast šassii kokkupõrget. Peaaegu kõik teised Hiina elektrisõidukite tootjad on teatanud sarnastest juhtumitest.

Niinimetatud sisemured on mitmetahulised. Praegused liitiumioonakud, mis koosnevad peamiselt positiivsetest ja negatiivsetest elektroodidest, separaatoritest ja elektrolüüdist, kujutavad endast ainulaadseid ohte. Näiteks liitiumplaadistamise nähtus ilmneb siis, kui akus liikuvad liitiumioonid kogunevad elektroode eraldavale õhukesele membraanile, moodustades liitiumdendriite. Need dendriidid võivad membraani läbistada, põhjustades lühise ja kiire kuumuse akumuleerumise.

Seega on aku struktuuri terviklikkus ja eraldaja kvaliteet aku ohutuse määravad tegurid. Kvaliteetsed akud läbivad enne tehasest lahkumist põhjaliku testimise, sealhulgas "naelte läbitungimise" testi (kuigi mitte üldiselt kohustuslik), mille eesmärk on lühis, mis kahjustab positiivsete ja negatiivsete elektroodide ja eraldaja terviklikkust.

Seda silmas pidades näib loomulik tee ohutuse parandamiseks selge: asendada tuleohtlik orgaaniline elektrolüüt liikumatu, mittelekkiva, termiliselt stabiilse tahke materjaliga. Tahkisakudest on saanud nende ohutuse ja energiatiheduse akutööstuse tegevuskavas ilmselge "järgmine jaam". Teekond laialdase kasutuselevõtu poole on aga osutunud raskeks. Vaatamata sellele, et USA Oak Ridge'i riiklik labor lõi esimese tahkisaku juba 1990. aastal, on püsivad tehnoloogilised takistused püsinud.

Tahkisakude maailmas on tahkete elektrolüütide materjalide jaoks kolm peamist süsteemi: polümeerid, oksiidid ja sulfiidid. Igal neist on oma tugevad ja nõrgad küljed ning kõik peavad võitlema turustamisele omaste tootmise mastaapsuse ja kvaliteedikontrolli väljakutsetega.

Skeptikud pilkavad elektrisõidukite vähenenud sõiduulatust talvel, mis on tingitud praeguste vedelate akude kehvast töövõimest madalal temperatuuril, samas kui muret tekitab ka potentsiaalne põlemisoht suvise laadimise ajal. See rõhutab vajadust turvalisema ja tõhusama aku järele, mis suudab toime tulla kõigi aastaaegade nõudmistega.

3D-printimisega katsetamine tahkete elektrolüütide jaoks keerukate struktuuride loomiseks on näidanud mõningast lubadust. Näiteks on Oxfordi ülikooli teadlased 3D-printimise abil konstrueerinud tahke elektrolüüdiga täidetud kolmemõõtmelise raamistiku, et parandada mehaanilist tugevust ja vältida kerget purunemist. Samamoodi kasutab USA ettevõte Sakuu sideainejoa tehnoloogiat vajalike elektroodimaterjalide ja tahkete elektrolüüdipulbrite sadestamiseks substraadile ning vedelate reagentidega tahkestamiseks.

Kuigi 3D-printimine võib pakkuda vahendit liidese kontaktpinna laiendamiseks ja materjali poorsuse kontrollimiseks, tuleb siiski ületada suuri tõkkeid, enne kui neid eksperimentaalseid tehnikaid saab muuta elujõuliseks masstoodetud lahenduseks. Jõudluse ja kulude tasakaalustamine, mastaapsuse saavutamine ja rangete kvaliteedikontrolli standardite säilitamine on ähvardavad väljakutsed, mis hoiavad neid paljutõotavaid lahendusi pigem laboris kui teel.

Kui kihutame üha elektrilisema tuleviku poole, hoiavad loomupärased riskid ja pidev täiustatud ohutusmeetmete poole püüdlemine tööstuse muutuvas seisus. Vaatamata hirmuäratavatele väljakutsetele jätkub marss turvalisema ja tõhusama elektrisõidukite tööstuse poole, mida toidavad lakkamatu innovatsioon ja pühendumus jätkusuutlikule tulevikule. Nagu alati, hoiab New Yorker nendel arengutel teravalt silma peal, olles valmis pakkuma ülevaadet ja analüüsi eelseisvast teekonnast.