Kas atsitinka, kai sudega EV baterija?

Kai dega EV baterija, tai paprastai nutinka dėl reiškinio, vadinamo „terminiu pabėgimu“. Supaprastintai kalbant, tai grandininė reakcija, kuri prasideda, kai baterijos elementas dėl kokios nors priežasties perkaista, dažnai dėl išorinės fizinės žalos, perkaitimo ar perkrovimo (vadinama „išorine žala“). Kartais tai gali sukelti vidinė problema, pvz., gamybos defektai arba trumpasis jungimas akumuliatoriaus elemente (vadinamas „vidiniais rūpesčiais“).

Degantis elektromobilių akumuliatorius gali kelti ypatingą nerimą, nes, skirtingai nei tradiciniuose automobiliuose su vidaus degimo varikliu, EV akumuliatoriai dažnai veikia visą transporto priemonės ilgį. Užsidegus vienam elektromobilio akumuliatoriaus elementui, dėl karščio gali užsidegti ir netoliese esantys elementai, o tai gali sukelti grandininę reakciją, kuri gali greitai apimti visą akumuliatorių ir galbūt visą transporto priemonę.

Kad problema būtų dar sudėtingesnė, labiausiai paplitęs akumuliatorių tipas, naudojamas šiandieniniuose elektromobiliuose, ličio jonų akumuliatorius, turi degių organinių skystų elektrolitų. Dėl to šios baterijos labiau linkusios užsiliepsnoti ir sprogti, kai jos yra pažeistos arba netinkamai naudojamos. Be to, yra specifinė rizika, vadinama „ličio dendritais“, kurie yra mažos, adatos formos iškyšos, kurios gali susidaryti ant anodo įkrovimo metu. Jei šie dendritai išauga pakankamai dideli, jie gali prasiskverbti į separatorių, sukeldami trumpąjį jungimą ir galbūt šiluminio pabėgimo situaciją.

Todėl akumuliatoriaus struktūros vientisumas ir separatorių kokybė yra esminiai veiksniai užtikrinant EV akumuliatoriaus saugumą. Todėl kokybiškoms baterijoms prieš išvežant iš gamyklos atliekami įvairūs nepalankumo testai, įskaitant „pradūrimo“ testą, kuris imituoja trumpąjį jungimą, kurį sukelia tuo pačiu metu pažeisti teigiami ir neigiami elektrodai bei separatorius.

Nepaisant to, kas išdėstyta pirmiau, svarbu pažymėti, kad šiluminis pabėgimas elektromobiliuose yra gana retas, o daugelis gamintojų, tyrėjų ir institucijų uoliai dirba, kad toliau pagerintų šių baterijų saugą. Vienas iš būdų yra sukurti kietojo kūno baterijas, kurios pakeičia degų skystą elektrolitą nedegiu kietu. Tačiau 2023 m. šios baterijos vis dar yra tyrimų ir plėtros stadijoje.

Ankstyvomis 2023 m. rugpjūčio dienomis NIO ES8 susidūrė su kelio stulpu Džedziange, Kinijoje ir per kelias sekundes užsiliepsnojo, nusinešęs vairuotojo gyvybę. Įvykis vis dar tiriamas. Prieš kelias dienas, liepos pabaigoje, Dongguane, Guangdongo mieste, susidūrė „Tesla Model Y“ ir „Audi“ sedanas. Tesla prarado valdymą, atsitrenkė į apsauginį turėklą ir užsiliepsnojo.

Sukite šiek tiek toliau ir mes randame NIO AUTO akumuliatorių keitimo stotį Jiangmen mieste, Guangdonge, liepsnojančią. Priežastis? NIO vartotojo baterija, nuotoliniu būdu identifikuota kaip pažeista išorinių jėgų, grįžus į stotį, patikrinimo metu užsidegė.

Tai yra košmariški scenarijai, kuriuos įsivaizdavo daugelis benzino entuziastų, atsparių elektrinių transporto priemonių (EV) glėbiui, ir kuriuos sunkiausia palengvinti: EV baterijų saugumas. Ši baimė nėra nepagrįsta; Akumuliatorių gaisrai gali kelti didesnį nerimą elektromobiliuose nei įprastuose automobiliuose. Pavyzdžiui, EV akumuliatorius yra integruotas visoje transporto priemonėje, todėl gaisro atveju ji gali visiškai sudegti. Dar labiau nerimą kelia tai, kad tradiciniai transporto priemonių gaisrai paprastai siejami su eismo įvykiais, tačiau kartais elektromobiliai gali savaime užsidegti būdami ramybės būsenoje, todėl naujienos tampa ryškesnės.

Įprastos šių „šiluminio pabėgimo“ incidentų priežastys skirstomos į dvi kategorijas: išorinės grėsmės ir vidiniai rūpesčiai. Išorinės grėsmės apima mechaninį, šiluminį ir elektrinį poveikį, dažniausiai dėl nelaimingų atsitikimų, aukštos temperatūros, perkrovimo ar išsikrovimo. NIO ne tik užsidegė įvykus dideliam susidūrimui eismo įvykių metu, bet ir pranešė apie savaiminį ES8 EV užsidegimą 2019 m. atliekant techninę priežiūrą dėl trumpojo jungimo, kurį sukėlė akumuliatoriaus bloko konstrukcijos suspaudimas po susidūrimo su važiuokle. Beveik visi kiti Kinijos elektromobilių gamintojai pranešė apie panašius atvejus.

Vadinamieji vidiniai rūpesčiai yra daugialypiai. Dabartinės ličio jonų baterijos, daugiausia sudarytos iš teigiamų ir neigiamų elektrodų, separatorių ir elektrolito, kelia savo unikalų pavojų. Pavyzdžiui, ličio dengimo reiškinys atsiranda, kai akumuliatoriuje judantys ličio jonai kaupiasi ant plonos membranos, skiriančios elektrodus, sudarydami ličio dendritus. Šie dendritai gali pramušti membraną, sukeldami trumpąjį jungimą ir greitą šilumos kaupimąsi.

Taigi akumuliatoriaus struktūros vientisumas ir separatoriaus kokybė yra esminiai akumuliatoriaus saugos veiksniai. Aukštos kokybės akumuliatoriai prieš išvežant iš gamyklos yra kruopščiai tikrinami, įskaitant „įsiskverbimo į nagą“ testą (nors ir ne visuotinai privalomą), kurio tikslas – trumpasis jungimas, pažeidžiant teigiamo ir neigiamo elektrodo bei separatoriaus vientisumą.

Turint tai omenyje, natūralus saugumo gerinimo būdas atrodo aiškus: degų organinį elektrolitą pakeiskite nejudančia, nesandaria, termiškai stabilia kieta medžiaga. Kietojo kūno akumuliatoriai tapo akivaizdžia „kita stotimi“ baterijų pramonės gairėse dėl jų saugos ir energijos tankio. Tačiau kelionė į platų priėmimą pasirodė sunkiai pasiekiama. Nepaisant to, kad JAV Oak Ridge nacionalinė laboratorija dar 1990 metais sukūrė pirmąją kietojo kūno bateriją, nuoseklios technologinės kliūtys išliko.

Kietojo kūno baterijų pasaulyje yra trys pagrindinės kietųjų elektrolitų medžiagų sistemos: polimerai, oksidai ir sulfidai. Kiekvienas iš jų turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses, todėl visi turi susidoroti su gamybos mastelio ir kokybės kontrolės iššūkiais, būdingais komercializacijai.

Skeptikai tyčiojasi iš sumažėjusio elektromobilių atstumo žiemą dėl prasto dabartinių skystųjų baterijų veikimo žemoje temperatūroje, o galimas užsidegimo pavojus kraunant vasarą taip pat kelia susirūpinimą. Tai pabrėžia, kad reikia saugesnės, efektyvesnės baterijos, kuri atitiktų visų sezonų poreikius.

Eksperimentai su 3D spausdinimu, siekiant sukurti sudėtingas kietųjų elektrolitų struktūras, parodė tam tikrą pažadą. Pavyzdžiui, Oksfordo universiteto mokslininkai panaudojo 3D spausdinimą, kad sukurtų trimatį karkasą, užpildytą kietu elektrolitu, kad pagerintų mechaninį stiprumą ir išvengtų lengvo lūžimo. Panašiai JAV bendrovė „Sakuu“ naudoja rišiklio purškimo technologiją, kad ant pagrindo nusodintų reikiamas elektrodų medžiagas ir kietus elektrolito miltelius ir „sutaisytų“ skystais reagentais.

Nors 3D spausdinimas gali pasiūlyti galimybę išplėsti sąsajos kontaktų plotą ir kontroliuoti medžiagos poringumą, vis dar reikia įveikti didelių kliūčių, kol šie eksperimentiniai metodai gali būti paversti perspektyviu, masinės gamybos sprendimu. Subalansuoti našumą ir sąnaudas, pasiekti mastelį ir išlaikyti griežtus kokybės kontrolės standartus yra gresiantys iššūkiai, dėl kurių šie perspektyvūs sprendimai išlieka laboratorijoje, o ne kelyje.

Lenktantis į vis labiau elektrinę ateitį, būdinga rizika ir nuolatinis geresnių saugos priemonių siekimas išlaiko pramonę kintančioje būsenoje. Nepaisant bauginančių iššūkių, žygis saugesnės ir efektyvesnės elektromobilių pramonės link tęsiasi, skatinamas nenumaldomų naujovių ir įsipareigojimo tvariai ateičiai. Kaip visada, „New Yorker“ atidžiai stebės šiuos pokyčius, pasiruošęs pateikti įžvalgų ir analizės apie būsimą kelionę.