Hvað gerist þegar rafhlaðan brennur?

Þegar rafhlaðan brennur er það venjulega vegna fyrirbæri sem kallast „hitaflug“. Í einfölduðu máli er þetta keðjuverkun sem hefst þegar fruma í rafhlöðunni ofhitnar af einhverjum ástæðum, oft vegna ytri líkamlegra skemmda, ofhitnunar eða ofhleðslu (kallað „ytri skaða“). Stundum getur það verið kveikt af innri vandamáli eins og framleiðslugöllum eða skammhlaupi innan rafhlöðunnar (vísað til sem „innri áhyggjur“).

Brennandi rafgeymir rafgeyma getur verið sérstaklega áhyggjuefni vegna þess að ólíkt hefðbundnum brunavélarbílum, þá ganga rafhlöðurnar í rafbílum oft á lengd ökutækisins. Þegar kviknar í einni klefa í rafgeyma rafhlöðupakka getur hitinn valdið því að nærliggjandi frumur kvikna líka, sem leiðir til keðjuverkunar sem getur fljótt gleypt allan rafhlöðupakkann og hugsanlega allt farartækið.

Til að bæta vandamálið inniheldur algengasta tegund rafhlöðu sem notuð er í rafbílum nútímans, litíumjónarafhlaðan, eldfimt lífrænt fljótandi raflausn. Þetta gerir þessar rafhlöður hættara við að kvikna og springa þegar þær skemmast eða er ekki meðhöndlaðar á réttan hátt. Að auki er sérstök áhætta sem kallast „lithium dendrites“, sem eru örsmáar, nálarlíkar útskot sem geta myndast á rafskautinu við hleðslu. Ef þessir dendritar verða nógu stórir geta þeir stungið í gegnum skiljuna, valdið skammhlaupi og hugsanlega leitt til hitauppstreymis.

Þess vegna eru heilleiki rafhlöðuuppbyggingarinnar og gæði skiljanna afgerandi þættir til að tryggja öryggi rafhlöðu rafgeyma. Sem slík fara gæðarafhlöður í gegnum ýmsar álagsprófanir áður en þær fara frá verksmiðjunni, þar á meðal „gata“ próf sem líkir eftir skammhlaupi af völdum samtímis skemmda á jákvæðu og neikvæðu rafskautunum og skilju.

Þrátt fyrir ofangreint er mikilvægt að hafa í huga að hitauppstreymi í rafbílum er tiltölulega sjaldgæft og margir framleiðendur, vísindamenn og stofnanir vinna ötullega að því að bæta öryggi þessara rafhlaðna enn frekar. Ein aðferðin er þróun á rafhlöðum í föstu formi, sem skipta út eldfimum fljótandi raflausn með óeldfimum föstum. Hins vegar, frá og með 2023, eru þessar rafhlöður enn að mestu á rannsóknar- og þróunarstigi.

Snemma í ágúst 2023 rakst NIO ES8 á vegsúlu í Zhejiang í Kína og kviknaði í eldi á nokkrum sekúndum og kostaði ökumann lífið. Atvikið er enn í rannsókn. Nokkrum dögum áður, seint í júlí, lentu Tesla Model Y og Audi fólksbifreið í árekstri í Dongguan, Guangdong. Tesla-bíllinn missti stjórn á sér, ók í handrið og kviknaði í.

Spólaðu aðeins lengra til baka og við finnum NIO AUTO rafhlöðuskiptastöð í Jiangmen, Guangdong, logandi. Orsökin? Rafhlaða NIO notanda, sem var auðkennd sem skemmd af utanaðkomandi öflum, kviknaði í skoðun við endurkomu á stöðina.

Þetta eru martraðarsviðsmyndirnar sem margir bensínáhugamenn, sem eru ónæmir fyrir faðmi rafknúinna farartækja (EVs) hafa ímyndað sér, og erfiðast að draga úr: öryggi rafgeyma rafgeyma. Þessi ótti er ekki ástæðulaus; rafhlöðueldar geta verið ógnvekjandi í rafbílum en hefðbundnum bílum. Til dæmis er rafhlaðan í rafbílnum samþætt í ökutækinu, sem gerir það viðkvæmt fyrir algerum bruna ef eldur kemur upp. Jafnvel meira órólegt, á meðan hefðbundnir ökutækjaeldar eru almennt tengdir umferðarslysum, geta rafbílar stundum kviknað af sjálfu sér í hvíld, sem gerir fréttirnar meira áberandi.

Algengar ástæður fyrir þessum „hitaflugi“ atvikum falla í tvo flokka: ytri ógnir og innri áhyggjur. Ytri ógnir fela í sér vélræna misnotkun, hitauppstreymi og rafmagnsmisnotkun, venjulega vegna slysa, hás hita, ofhleðslu eða afhleðslu. Auk þess að kvikna í alvarlegum árekstri við umferðaróhöpp, tilkynnti NIO einnig um sjálfkviknað brunatilvik ES8 EV árið 2019 við viðhald vegna skammhlaups af völdum samþjöppunar rafhlöðupakka í kjölfar áreksturs á undirvagni. Næstum allir aðrir kínverskir rafbílaframleiðendur hafa greint frá svipuðum tilfellum.

Hinar svokölluðu innri áhyggjur eru margþættar. Núverandi litíumjónarafhlöður, sem eru aðallega samsettar úr jákvæðum og neikvæðum rafskautum, skiljum og raflausn, hafa sínar einstöku hættur. Til dæmis á sér stað fyrirbæri litíumhúðun þegar litíumjónir sem hreyfast innan rafhlöðunnar safnast fyrir á þunnu himnunni sem aðskilur rafskautin og mynda litíumdendrít. Þessir dendritar geta stungið í himnuna og valdið skammhlaupi og hraðri hitauppsöfnun.

Þess vegna eru uppbygging rafhlöðuheilleika og skiljugæði afgerandi áhrifavaldar á öryggi rafhlöðunnar. Hágæða rafhlöður gangast undir strangar prófanir áður en þær fara frá verksmiðjunni, þar á meðal prófun á „nöglum“ (þó ekki almennt skylda) sem miðar að skammhlaupi með því að skemma heilleika jákvæðu og neikvæðu rafskautanna og skilju.

Með þetta í huga virðist náttúrulega leiðin til umbóta í öryggismálum skýr: skiptu um eldfima lífræna raflausnina fyrir óhreyfanlegt, ekki leka, hitastöðugt fast efni. Solid-state rafhlöður hafa orðið augljós "næsta stöð" í vegakorti rafhlöðuiðnaðarins fyrir öryggi þeirra og orkuþéttleika. Hins vegar hefur leiðin að víðtækri ættleiðingu reynst fátækleg. Þrátt fyrir að bandaríska Oak Ridge National Laboratory hafi búið til fyrstu solid-state rafhlöðuna strax árið 1990, hafa stöðugar tæknilegar hindranir verið viðvarandi.

Í heimi rafhlöðu í föstu formi eru þrjú almenn kerfi fyrir raflausn í föstu formi: fjölliður, oxíð og súlfíð. Hver hefur sína styrkleika og veikleika og allir verða að glíma við sveigjanleika framleiðslu og gæðaeftirlits sem felst í markaðssetningu.

Efasemdarmenn hæðast að minni drægni rafbíla á veturna vegna lélegrar frammistöðu núverandi fljótandi rafgeyma við lághita, en hugsanleg brunahætta við hleðslu á sumrin er einnig áhyggjuefni. Þetta undirstrikar þörfina fyrir öruggari, skilvirkari rafhlöðu sem þolir kröfur hvers árs.

Tilraunir með þrívíddarprentun til að búa til flóknar mannvirki fyrir solid raflausn hafa sýnt nokkur fyrirheit. Til dæmis hafa vísindamenn við háskólann í Oxford notað þrívíddarprentun til að smíða þrívíddar ramma, fyllta með föstu raflausn, til að bæta vélrænan styrk og koma í veg fyrir auðvelt brot. Að sama skapi notar bandaríska fyrirtækið Sakuu bindiefnisstraumtækni til að setja nauðsynleg rafskautsefni og föstu rafsaltaduft á undirlag og „storka“ þau með fljótandi hvarfefnum.

Þó að þrívíddarprentun geti boðið upp á leið til að stækka snertiflöt viðmótsins og stjórna porosity efnis, eru enn stórar hindranir sem þarf að yfirstíga áður en hægt er að breyta þessum tilraunatækni í raunhæfa, fjöldaframleidda lausn. Jafnvægi á frammistöðu og kostnaði, að ná fram sveigjanleika og viðhalda ströngum gæðaeftirlitsstöðlum eru yfirvofandi áskoranir sem halda þessum efnilegu lausnum í rannsóknarstofunni frekar en á veginum.

Þegar við keppumst inn í sífellt rafknúnari framtíð, halda áhættan og stöðug leit að bættum öryggisráðstöfunum iðnaðinum í stöðugu ástandi. Þrátt fyrir skelfilegar áskoranir heldur gangurinn í átt að öruggari og skilvirkari rafbílaiðnaði áfram, knúinn áfram af stanslausri nýsköpun og skuldbindingu um sjálfbæra framtíð. Eins og alltaf mun New Yorker fylgjast vel með þessari þróun, tilbúinn til að veita innsýn og greiningu á ferðalaginu framundan.