Что происходит, когда сгорает батарея электромобиля?

Когда батарея электромобиля сгорает, это обычно происходит из-за явления, называемого «тепловым разгоном». Проще говоря, это цепная реакция, которая начинается, когда элемент в батарее по какой-то причине перегревается, часто из-за внешнего физического повреждения, перегрева или перезарядки (так называемые «внешние повреждения»). Иногда это может быть вызвано внутренней проблемой, такой как производственные дефекты или короткое замыкание в аккумуляторной ячейке (так называемые «внутренние проблемы»).

Горящая батарея электромобиля может вызывать особую тревогу, потому что, в отличие от традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, батареи в электромобилях часто проходят по всей длине автомобиля. Как только одна ячейка в аккумуляторной батарее электромобиля загорается, тепло может привести к возгоранию соседних ячеек, что приводит к цепной реакции, которая может быстро охватить всю аккумуляторную батарею и, возможно, весь автомобиль.

Проблема усугубляется тем, что наиболее распространенный тип аккумуляторов, используемых в современных электромобилях, литий-ионный аккумулятор, содержит легковоспламеняющиеся органические жидкие электролиты. Это делает эти батареи более склонными к возгоранию и взрыву при повреждении или неправильном обращении. Кроме того, существует особый риск, называемый «литиевыми дендритами», которые представляют собой крошечные игольчатые выступы, которые могут образовываться на аноде во время зарядки. Если эти дендриты становятся достаточно большими, они могут пробить сепаратор, вызывая короткое замыкание и, возможно, приводя к ситуации теплового разгона.

Таким образом, целостность конструкции батареи и качество сепараторов являются решающими факторами в обеспечении безопасности батареи электромобиля. Таким образом, перед отправкой с завода качественные аккумуляторы проходят различные стресс-тесты, в том числе тест на прокол, который имитирует короткое замыкание, вызванное одновременным повреждением положительного и отрицательного электродов и сепаратора.

Несмотря на вышесказанное, важно отметить, что тепловой разгон в электромобилях встречается относительно редко, и многие производители, исследователи и учреждения усердно работают над дальнейшим повышением безопасности этих батарей. Одним из подходов является разработка твердотельных аккумуляторов, в которых горючий жидкий электролит заменяется негорючим твердым. Однако по состоянию на 2023 год эти батареи все еще в основном находятся на стадии исследований и разработок.

В первые дни августа 2023 года NIO ES8 столкнулся с дорожным столбом в Чжэцзяне, Китай, и за считанные секунды загорелся, унеся жизнь водителя. Инцидент все еще расследуется. Всего за несколько дней до этого, в конце июля, в Дунгуане, провинция Гуандун, столкнулись Tesla Model Y и седан Audi. Tesla потеряла управление, врезалась в ограждение и загорелась.

Немного отмотав назад, мы находим горящую станцию ​​замены аккумуляторов NIO AUTO в Цзянмэнь, провинция Гуандун. Причина? Аккумулятор пользователя NIO, удаленно идентифицированный как поврежденный внешними силами, загорелся во время проверки по возвращении на станцию.

Это кошмарные сценарии, которые представляли себе многие энтузиасты бензина, сопротивляющиеся принятию электромобилей (EV), и которые труднее всего облегчить: безопасность аккумуляторов EV. Этот страх небезоснователен; Возгорание аккумуляторов в электромобилях может быть более тревожным, чем в обычных автомобилях. Например, батарея в электромобиле интегрирована по всему автомобилю, что делает ее склонной к полному сгоранию в случае пожара. Еще более тревожно то, что в то время как обычные возгорания транспортных средств, как правило, связаны с дорожно-транспортными происшествиями, электромобили иногда могут самовозгораться в состоянии покоя, что делает новости более заметными.

Общие причины этих инцидентов с «тепловым разгоном» делятся на две категории: внешние угрозы и внутренние опасения. Внешние угрозы включают в себя механическое, тепловое и электрическое воздействие, как правило, из-за несчастных случаев, высоких температур, перезарядки или разрядки. Помимо возгорания при серьезном столкновении во время дорожно-транспортных происшествий, NIO также сообщила о самовозгорании электромобиля ES8 в 2019 году во время технического обслуживания из-за короткого замыкания, вызванного сжатием конструкции аккумуляторной батареи после удара шасси. Почти все другие китайские производители электромобилей сообщают об аналогичных случаях.

Так называемые внутренние тревоги многогранны. Современные литий-ионные батареи, состоящие в основном из положительных и отрицательных электродов, сепараторов и электролита, представляют свою уникальную опасность. Например, явление литиевого покрытия происходит, когда ионы лития, движущиеся внутри батареи, накапливаются на тонкой мембране, разделяющей электроды, образуя литиевые дендриты. Эти дендриты могут пробивать мембрану, вызывая короткое замыкание и быстрое накопление тепла.

Следовательно, целостность конструкции батареи и качество сепаратора являются решающими факторами, определяющими безопасность батареи. Перед отправкой с завода высококачественные аккумуляторы проходят строгие испытания, в том числе тест на проникновение гвоздя (хотя и не обязательный для всех), направленный на короткое замыкание путем повреждения целостности положительного и отрицательного электродов и сепаратора.

Имея это в виду, естественный путь к повышению безопасности кажется очевидным: заменить легковоспламеняющийся органический электролит неподвижным, непротекающим, термически стабильным твердым материалом. Твердотельные батареи стали очевидной «следующей станцией» в дорожной карте аккумуляторной промышленности в плане их безопасности и плотности энергии. Однако путь к широкому внедрению оказался неуловимым. Несмотря на то, что Национальная лаборатория Ок-Риджа США создала первую твердотельную батарею еще в 1990 году, постоянные технологические препятствия сохраняются.

В мире твердотельных аккумуляторов есть три основные системы материалов с твердым электролитом: полимеры, оксиды и сульфиды. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, и все они должны решать проблемы масштабируемости производства и контроля качества, присущие коммерциализации.

Скептики насмехаются над уменьшенным запасом хода электромобилей зимой из-за плохих низкотемпературных характеристик нынешних жидкостных батарей, в то время как потенциальный риск возгорания во время зарядки летом также вызывает беспокойство. Это подчеркивает потребность в более безопасной и эффективной батарее, которая может работать в любое время года.

Эксперименты с 3D-печатью для создания сложных структур для твердых электролитов дали определенные надежды. Например, исследователи из Оксфордского университета использовали 3D-печать для создания трехмерного каркаса, заполненного твердым электролитом, для повышения механической прочности и предотвращения легкого разрушения. Точно так же американская компания Sakuu использует технологию распыления связующего для нанесения необходимых электродных материалов и порошков твердого электролита на подложку и их «затвердевания» с помощью жидких реагентов.

В то время как 3D-печать может предложить средства для увеличения площади контакта с интерфейсом и контроля пористости материала, все еще существуют серьезные препятствия, которые необходимо преодолеть, прежде чем эти экспериментальные методы можно будет превратить в жизнеспособное решение для массового производства. Баланс между производительностью и стоимостью, достижение масштабируемости и соблюдение строгих стандартов контроля качества — вот надвигающиеся проблемы, из-за которых эти многообещающие решения остаются в лаборатории, а не в дороге.

По мере того, как мы мчимся во все более электрическое будущее, неотъемлемые риски и постоянное стремление к улучшению мер безопасности держат отрасль в постоянном движении. Несмотря на серьезные проблемы, движение к более безопасной и эффективной индустрии электромобилей продолжается, чему способствуют неустанные инновации и стремление к устойчивому будущему. Как всегда, The New Yorker будет пристально следить за этими событиями, готовый предложить информацию и анализ на будущее.