Co się dzieje, gdy pali się akumulator EV?

Kiedy akumulator EV się pali, jest to zwykle spowodowane zjawiskiem zwanym „ucieczką termiczną”. Mówiąc prościej, jest to reakcja łańcuchowa, która rozpoczyna się, gdy z jakiegoś powodu ogniwo w baterii zostanie przegrzane, często z powodu zewnętrznego uszkodzenia fizycznego, przegrzania lub przeładowania (określanego jako „szkody zewnętrzne”). Czasami może to być spowodowane wewnętrznym problemem, takim jak wady produkcyjne lub zwarcie w ogniwie akumulatora (określane jako „wewnętrzne zmartwienia”).

Płonący akumulator EV może być szczególnie niepokojący, ponieważ w przeciwieństwie do tradycyjnego samochodu z silnikiem spalinowym, akumulatory w pojazdach elektrycznych często biegną przez całą długość pojazdu. Gdy jedno ogniwo w zestawie akumulatorów EV zapali się, ciepło może spowodować zapalenie się sąsiednich ogniw, co prowadzi do reakcji łańcuchowej, która może szybko pochłonąć cały akumulator i potencjalnie cały pojazd.

Aby jeszcze bardziej skomplikować problem, akumulator litowo-jonowy, najczęściej stosowany w dzisiejszych pojazdach elektrycznych, zawiera łatwopalne organiczne ciekłe elektrolity. To sprawia, że ​​akumulatory te są bardziej podatne na zapalenie się i eksplozję w przypadku uszkodzenia lub nieprawidłowego obchodzenia się z nimi. Ponadto istnieje szczególne ryzyko zwane „dendrytami litowymi”, które są małymi, podobnymi do igieł wypustkami, które mogą powstać na anodzie podczas ładowania. Jeśli te dendryty urosną wystarczająco duże, mogą przebić separator, powodując zwarcie i prawdopodobnie prowadząc do sytuacji niekontrolowanej temperatury.

Dlatego integralność konstrukcji akumulatora i jakość separatorów są kluczowymi czynnikami zapewniającymi bezpieczeństwo akumulatora EV. W związku z tym wysokiej jakości akumulatory przechodzą różne testy obciążeniowe przed opuszczeniem fabryki, w tym test „przebicia”, który symuluje zwarcie spowodowane równoczesnym uszkodzeniem dodatniej i ujemnej elektrody oraz separatora.

Pomimo powyższego należy zauważyć, że niekontrolowany wzrost temperatury w pojazdach elektrycznych jest stosunkowo rzadki, a wielu producentów, naukowców i instytucji pilnie pracuje nad dalszą poprawą bezpieczeństwa tych akumulatorów. Jednym z podejść jest opracowanie akumulatorów półprzewodnikowych, które zastępują łatwopalny ciekły elektrolit niepalnym elektrolitem stałym. Jednak od 2023 r. baterie te są nadal w dużej mierze na etapie badań i rozwoju.

Na początku sierpnia 2023 r. NIO ES8 zderzył się ze słupem drogowym w Zhejiang w Chinach i w ciągu kilku sekund stanął w płomieniach, zabijając kierowcę. Incydent jest nadal badany. Zaledwie kilka dni wcześniej, pod koniec lipca, w Dongguan w prowincji Guangdong zderzyły się Tesla Model Y i Audi sedan. Tesla stracił kontrolę, uderzył w barierkę i stanął w płomieniach.

Cofnijmy się trochę dalej i znajdziemy płonącą stację wymiany akumulatorów NIO AUTO w Jiangmen w prowincji Guangdong. Powód? Bateria użytkownika NIO, zdalnie zidentyfikowana jako uszkodzona przez siły zewnętrzne, zapaliła się podczas kontroli po powrocie na stację.

To są koszmarne scenariusze, które wyobrażało sobie wielu entuzjastów benzyny odpornych na objęcie pojazdów elektrycznych (EV), i najtrudniejszy do złagodzenia: bezpieczeństwo akumulatorów EV. Ten strach nie jest bezpodstawny; pożary akumulatorów mogą być bardziej niepokojące w pojazdach elektrycznych niż w samochodach konwencjonalnych. Na przykład akumulator w pojeździe elektrycznym jest zintegrowany w całym pojeździe, co czyni go podatnym na całkowite spalenie w przypadku pożaru. Jeszcze bardziej niepokojące jest to, że podczas gdy konwencjonalne pożary pojazdów są na ogół kojarzone z wypadkami drogowymi, pojazdy elektryczne mogą czasem spontanicznie zapalić się podczas postoju, co sprawia, że ​​wiadomości są bardziej wyraziste.

Typowe przyczyny tych incydentów związanych z ucieczką ciepła dzielą się na dwie kategorie: zagrożenia zewnętrzne i wewnętrzne obawy. Zagrożenia zewnętrzne obejmują nadużycia mechaniczne, nadużycia termiczne i nadużycia elektryczne, zwykle spowodowane wypadkami, wysokimi temperaturami, przeładowaniem lub rozładowaniem. Oprócz zapalenia się po poważnej kolizji podczas wypadków drogowych, NIO zgłosiło również zdarzenie samozapłonu ES8 EV w 2019 r. podczas konserwacji z powodu zwarcia spowodowanego kompresją struktury zestawu akumulatorów po uderzeniu w podwozie. Prawie wszyscy inni chińscy producenci pojazdów elektrycznych zgłosili podobne przypadki.

Tak zwane wewnętrzne zmartwienia mają wieloaspektowy charakter. Obecne akumulatory litowo-jonowe, składające się głównie z dodatnich i ujemnych elektrod, separatorów i elektrolitu, stwarzają własne unikalne zagrożenia. Na przykład zjawisko platerowania litem występuje, gdy poruszające się w akumulatorze jony litu gromadzą się na cienkiej membranie oddzielającej elektrody, tworząc dendryty litu. Te dendryty mogą przebić membranę, powodując zwarcie i szybką akumulację ciepła.

Dlatego integralność struktury baterii i jakość separatora są kluczowymi wyznacznikami bezpieczeństwa baterii. Wysokiej jakości akumulatory przechodzą rygorystyczne testy przed opuszczeniem fabryki, w tym test „penetracji gwoździem” (choć nie jest to obowiązkowe) mający na celu wykrycie zwarcia poprzez uszkodzenie integralności dodatniej i ujemnej elektrody oraz separatora.

Mając to na uwadze, naturalna droga do poprawy bezpieczeństwa wydaje się jasna: zastąpić łatwopalny organiczny elektrolit nieruchomym, nieprzeciekającym, stabilnym termicznie materiałem stałym. Baterie półprzewodnikowe stały się oczywistą „następną stacją” na mapie drogowej przemysłu akumulatorowego pod względem ich bezpieczeństwa i gęstości energii. Jednak droga do powszechnej adopcji okazała się nieuchwytna. Pomimo tego, że amerykańskie Oak Ridge National Laboratory stworzyło pierwszą baterię półprzewodnikową już w 1990 r., utrzymywały się stałe przeszkody technologiczne.

W świecie akumulatorów półprzewodnikowych istnieją trzy główne systemy dla stałych materiałów elektrolitycznych: polimery, tlenki i siarczki. Każdy z nich ma swoje mocne i słabe strony i wszystkie muszą stawić czoła wyzwaniom związanym ze skalowalnością produkcji i kontrolą jakości nieodłącznie związanym z komercjalizacją.

Sceptycy drwią z ograniczonego zasięgu pojazdów elektrycznych w zimie ze względu na słabą wydajność obecnych akumulatorów płynnych w niskich temperaturach, podczas gdy potencjalne ryzyko spalania podczas ładowania w lecie jest również problemem. To podkreśla potrzebę stworzenia bezpieczniejszej, bardziej wydajnej baterii, która sprosta wymaganiom we wszystkich porach roku.

Eksperymenty z drukiem 3D w celu stworzenia złożonych struktur dla elektrolitów stałych okazały się obiecujące. Na przykład naukowcy z University of Oxford wykorzystali druk 3D do skonstruowania trójwymiarowej ramy wypełnionej stałym elektrolitem, aby poprawić wytrzymałość mechaniczną i zapobiec łatwemu pękaniu. Podobnie amerykańska firma Sakuu wykorzystuje technologię lepiszcza do osadzania wymaganych materiałów elektrodowych i stałych proszków elektrolitycznych na podłożu i „zestalania” ich płynnymi odczynnikami.

Podczas gdy drukowanie 3D może oferować sposób na rozszerzenie powierzchni styku interfejsu i kontrolowanie porowatości materiału, nadal istnieją poważne przeszkody do pokonania, zanim te eksperymentalne techniki będą mogły zostać przekształcone w opłacalne, produkowane masowo rozwiązanie. Równoważenie wydajności i kosztów, osiągnięcie skalowalności i utrzymanie rygorystycznych standardów kontroli jakości to zbliżające się wyzwania, które sprawiają, że te obiecujące rozwiązania pozostają w laboratorium, a nie w trasie.

W miarę jak ścigamy się w coraz bardziej elektryczną przyszłość, nieodłączne ryzyko i ciągłe dążenie do ulepszonych środków bezpieczeństwa sprawiają, że branża podlega ciągłym zmianom. Pomimo zniechęcających wyzwań marsz w kierunku bezpieczniejszej i wydajniejszej branży pojazdów elektrycznych trwa, napędzany przez nieustające innowacje i zaangażowanie w zrównoważoną przyszłość. Jak zawsze, New Yorker będzie bacznie obserwował te wydarzenia, gotowy do zaoferowania wglądu i analizy na temat nadchodzącej podróży.