Što se događa kada baterija EV-a izgori?

Kada baterija EV-a pregori, to je obično zbog fenomena koji se naziva "termički bijeg". Pojednostavljeno rečeno, to je lančana reakcija koja počinje kada se ćelija u bateriji iz nekog razloga pregrije, često zbog vanjskog fizičkog oštećenja, pregrijavanja ili prekomjernog punjenja (što se naziva "vanjska šteta"). Ponekad to može biti potaknuto unutarnjim problemom kao što su nedostaci u proizvodnji ili kratki spoj unutar baterije (koji se nazivaju "unutarnje brige").

Zapaljena baterija EV-a može biti posebno zabrinjavajuća jer, za razliku od tradicionalnih automobila s motorom s unutarnjim izgaranjem, baterije u EV-ima često se protežu kroz duljinu vozila. Nakon što se jedna ćelija u EV baterijskom paketu zapali, toplina može uzrokovati da se obližnje ćelije također zapale, što dovodi do lančane reakcije koja može brzo zahvatiti cijeli baterijski paket i potencijalno, cijelo vozilo.

Da bi se problem pogoršao, najčešći tip baterije koji se koristi u današnjim električnim vozilima, litij-ionska baterija, sadrži zapaljive organske tekuće elektrolite. Zbog toga su ove baterije sklonije zapaliti se i eksplodirati ako se oštete ili ako se njima nepravilno rukuje. Osim toga, postoji specifičan rizik koji se naziva "litijevi dendriti", koji su malene, igličaste izbočine koje se mogu razviti na anodi tijekom punjenja. Ako ti dendriti narastu dovoljno veliki, mogu probiti separator, uzrokujući kratki spoj i moguće dovesti do situacije toplinskog odlaska.

Stoga su cjelovitost strukture baterije i kvaliteta separatora presudni čimbenici u osiguravanju sigurnosti baterije za EV. Kao takve, kvalitetne baterije podvrgavaju se raznim stres testovima prije nego napuste tvornicu, uključujući test "probijanja" koji simulira kratki spoj uzrokovan istodobnim oštećenjem pozitivnih i negativnih elektroda i separatora.

Unatoč gore navedenom, važno je napomenuti da je toplinski bijeg u električnim vozilima relativno rijedak, a mnogi proizvođači, istraživači i institucije marljivo rade na daljnjem poboljšanju sigurnosti ovih baterija. Jedan pristup je razvoj baterija u čvrstom stanju, koje zamjenjuju zapaljivi tekući elektrolit nezapaljivim krutim. Međutim, od 2023. te su baterije još uvijek uglavnom u fazi istraživanja i razvoja.

Početkom kolovoza 2023. NIO ES8 sudario se sa stupom ceste u Zhejiangu u Kini i zapalio se u roku od nekoliko sekundi, odnijevši život vozača. Incident je još u fazi istrage. Samo nekoliko dana prije, krajem srpnja, Tesla Model Y i Audi sedan sudarili su se u Dongguanu, Guangdong. Tesla je izgubila kontrolu, udarila u zaštitnu ogradu i zapalila se.

Premotamo malo dalje i nalazimo NIO AUTO stanicu za izmjenu baterija u Jiangmenu, Guangdong, kako gori. Uzrok? Baterija NIO korisnika, daljinski identificirana kao oštećena vanjskim silama, zapalila se tijekom pregleda po povratku u stanicu.

Ovo su scenariji iz noćne more koje su zamišljali mnogi ljubitelji benzina otporni na zagrljaj električnih vozila (EV), a najteže ih je ublažiti: sigurnost EV baterija. Ovaj strah nije neutemeljen; požari akumulatora mogu biti alarmantniji u električnim vozilima nego u konvencionalnim automobilima. Na primjer, baterija u električnom vozilu integrirana je u cijelo vozilo, što ga čini sklonim potpunom izgaranju u slučaju požara. Što je još više uznemirujuće, dok se požari konvencionalnih vozila općenito povezuju s prometnim nesrećama, električna vozila se ponekad mogu spontano zapaliti dok miruju, što vijest čini istaknutijom.

Uobičajeni razlozi za ove incidente s "toplinskim bijegom" spadaju u dvije kategorije: vanjske prijetnje i unutarnje brige. Vanjske prijetnje uključuju mehaničko, toplinsko i električno zlostavljanje, obično zbog nezgoda, visokih temperatura, prekomjernog punjenja ili pražnjenja. Osim zapaljenja nakon teškog sudara tijekom prometnih incidenata, NIO je također izvijestio o spontanom samozapaljenju ES8 EV 2019. tijekom održavanja zbog kratkog spoja uzrokovanog kompresijom strukture paketa baterija nakon udarca šasije. Gotovo svi drugi kineski proizvođači električnih vozila prijavili su slične slučajeve.

Takozvane unutarnje brige su višestruke. Sadašnje litij-ionske baterije, sastavljene uglavnom od pozitivnih i negativnih elektroda, separatora i elektrolita, predstavljaju svoje jedinstvene opasnosti. Na primjer, fenomen litijske presvlake događa se kada se ioni litija koji se kreću unutar baterije nakupljaju na tankoj membrani koja odvaja elektrode, tvoreći litijeve dendrite. Ovi dendriti mogu probiti membranu, uzrokujući kratki spoj i brzo nakupljanje topline.

Stoga su integritet strukture baterije i kvaliteta separatora presudne odrednice sigurnosti baterije. Visokokvalitetne baterije prolaze rigorozna testiranja prije nego što napuste tvornicu, uključujući test "probijanja čavlom" (iako nije univerzalno obavezan) čiji je cilj kratki spoj oštećivanjem integriteta pozitivnih i negativnih elektroda i separatora.

Imajući ovo na umu, prirodni put do poboljšanja sigurnosti čini se jasnim: zamijenite zapaljivi organski elektrolit nepokretnim, toplinski stabilnim čvrstim materijalom koji ne curi. Solid-state baterije postale su očigledna "sljedeća stanica" na planu industrije baterija za njihovu sigurnost i gustoću energije. Međutim, put do širokog usvajanja pokazao se nedostižnim. Unatoč tome što je američki Nacionalni laboratorij Oak Ridge stvorio prvu bateriju u čvrstom stanju još 1990. godine, postojale su stalne tehnološke prepreke.

U svijetu poluprovodničkih baterija postoje tri glavna sustava za materijale čvrstih elektrolita: polimeri, oksidi i sulfidi. Svaki ima svoje snage i slabosti i svi se moraju boriti s izazovima skalabilnosti proizvodnje i kontrole kvalitete svojstvenim komercijalizaciji.

Skeptici se rugaju smanjenom dometu električnih vozila zimi zbog loših performansi trenutnih tekućih baterija pri niskim temperaturama, dok potencijalni rizik od izgaranja tijekom punjenja ljeti također predstavlja zabrinutost. Ovo naglašava potrebu za sigurnijom, učinkovitijom baterijom koja može podnijeti zahtjeve svih godišnjih doba.

Eksperimentiranje s 3D ispisom za stvaranje složenih struktura za čvrste elektrolite pokazalo je obećavajuće. Na primjer, istraživači sa Sveučilišta u Oxfordu koristili su 3D ispis za konstrukciju trodimenzionalnog okvira, ispunjenog čvrstim elektrolitom, kako bi se poboljšala mehanička čvrstoća i spriječilo lako lomljenje. Slično tome, američka tvrtka Sakuu koristi tehnologiju mlaza veziva za taloženje potrebnih elektrodnih materijala i krutog elektrolita u prahu na podlogu i njihovo "očvršćivanje" tekućim reagensima.

Iako 3D ispis može ponuditi sredstva za proširenje kontaktnog područja sučelja i kontrolu poroznosti materijala, još uvijek postoje velike prepreke koje treba prevladati prije nego što se ove eksperimentalne tehnike mogu transformirati u održivo rješenje za masovnu proizvodnju. Usklađivanje performansi i cijene, postizanje skalabilnosti i održavanje strogih standarda kontrole kvalitete nadolazeći su izazovi koji ova obećavajuća rješenja drže u laboratoriju, a ne na cesti.

Dok jurimo u sve više električnu budućnost, inherentni rizici i stalna potraga za poboljšanim sigurnosnim mjerama drže industriju u stanju fluktuacije. Unatoč zastrašujućim izazovima, marš prema sigurnijoj, učinkovitijoj industriji električnih vozila se nastavlja, potaknut neumoljivim inovacijama i predanošću održivoj budućnosti. Kao i uvijek, New Yorker će pažljivo pratiti razvoj događaja, spreman ponuditi uvid i analizu o putu koji je pred nama.