Čo sa stane, keď sa vypáli batéria EV?

Keď sa batéria EV spáli, zvyčajne je to spôsobené javom nazývaným „tepelný únik“. Zjednodušene povedané, ide o reťazovú reakciu, ktorá začína, keď sa článok v batérii z nejakého dôvodu prehreje, často v dôsledku vonkajšieho fyzického poškodenia, prehriatia alebo prebitia (označované ako „vonkajšie poškodenie“). Niekedy to môže byť vyvolané vnútorným problémom, ako sú výrobné chyby alebo skrat v batériovom článku (označované ako „vnútorné obavy“).

Horiaca batéria EV môže byť obzvlášť znepokojujúca, pretože na rozdiel od tradičného automobilu so spaľovacím motorom batérie v EV často bežia na dĺžku vozidla. Keď sa jeden článok v batérii EV vznieti, teplo môže spôsobiť vzplanutie aj okolitých článkov, čo vedie k reťazovej reakcii, ktorá môže rýchlo pohltiť celú batériovú jednotku a potenciálne aj celé vozidlo.

Aby sa tento problém ešte zhoršil, najbežnejší typ batérie používaný v dnešných elektromobiloch, lítium-iónová batéria, obsahuje horľavé organické kvapalné elektrolyty. Vďaka tomu sú tieto batérie náchylnejšie na vznietenie a výbuch pri poškodení alebo nesprávnej manipulácii. Okrem toho existuje špecifické riziko nazývané „lítiové dendrity“, čo sú drobné ihličkovité výbežky, ktoré sa môžu na anóde vyvinúť počas nabíjania. Ak sa tieto dendrity dostatočne zväčšia, môžu prepichnúť separátor, spôsobiť skrat a prípadne viesť k tepelnému úniku.

Preto sú integrita štruktúry batérie a kvalita separátorov rozhodujúcimi faktormi pri zaistení bezpečnosti batérie EV. Kvalitné batérie ako také prechádzajú pred opustením továrne rôznymi záťažovými testami, vrátane „prepichovacieho“ testu, ktorý simuluje skrat spôsobený súčasným poškodením kladných a záporných elektród a separátora.

Napriek vyššie uvedenému je dôležité poznamenať, že tepelný únik v EV je pomerne zriedkavý a mnohí výrobcovia, výskumníci a inštitúcie usilovne pracujú na ďalšom zvyšovaní bezpečnosti týchto batérií. Jedným z prístupov je vývoj polovodičových batérií, ktoré nahrádzajú horľavý tekutý elektrolyt nehorľavým tuhým. Od roku 2023 sú však tieto batérie stále prevažne vo fáze výskumu a vývoja.

Začiatkom augusta 2023 NIO ES8 narazilo do stĺpa cesty v meste Zhejiang v Číne a v priebehu niekoľkých sekúnd vzplanulo a vyžiadalo si život vodiča. Incident je stále v štádiu vyšetrovania. Len pár dní predtým, koncom júla, sa v Dongguan v Guangdongu zrazila Tesla Model Y a sedan Audi. Tesla stratila kontrolu, narazila do zvodidiel a vzbĺkla.

Vráťte sa o kúsok ďalej a nachádzame stanicu na výmenu batérií NIO AUTO v Jiangmen, Guangdong, v plameňoch. Príčina? Batéria používateľa NIO, ktorá bola na diaľku identifikovaná ako poškodená vonkajšími silami, sa počas kontroly po návrate na stanicu vznietila.

Toto sú scenáre nočnej mory, ktoré si mnohí benzínoví nadšenci odolní voči objatiu elektrických vozidiel (EV) predstavovali a ktoré je najťažšie zmierniť: bezpečnosť batérií EV. Tento strach nie je neopodstatnený; Požiar batérie môže byť v EV alarmujúcejší ako v bežných autách. Napríklad batéria v EV je integrovaná v celom vozidle, vďaka čomu je náchylné na úplné spálenie v prípade požiaru. Ešte znepokojujúcejšie je, že zatiaľ čo požiare konvenčných vozidiel sú vo všeobecnosti spojené s dopravnými nehodami, elektromobily sa niekedy môžu spontánne vznietiť, keď sú v pokoji, vďaka čomu sú tieto správy ešte význačnejšie.

Bežné dôvody týchto incidentov „tepelného úniku“ spadajú do dvoch kategórií: vonkajšie hrozby a vnútorné obavy. Vonkajšie hrozby zahŕňajú mechanické zneužitie, tepelné zneužitie a elektrické zneužitie, zvyčajne v dôsledku nehôd, vysokých teplôt, prebíjania alebo vybíjania. Okrem požiaru pri ťažkej kolízii počas dopravných nehôd NIO v roku 8 počas údržby ohlásilo aj samovznietenie EV ES2019 v dôsledku skratu spôsobeného kompresiou konštrukcie batérie po náraze podvozku. Takmer všetci ostatní čínski výrobcovia elektrických vozidiel hlásili podobné prípady.

Takzvané vnútorné starosti sú mnohostranné. Súčasné lítium-iónové batérie, zložené hlavne z kladných a záporných elektród, separátorov a elektrolytu, predstavujú svoje vlastné jedinečné riziká. Napríklad jav pokovovania lítiom nastáva, keď sa lítiové ióny pohybujúce sa v batérii hromadia na tenkej membráne oddeľujúcej elektródy a vytvárajú lítiové dendrity. Tieto dendrity môžu prepichnúť membránu, spôsobiť skrat a rýchlu akumuláciu tepla.

Preto sú integrita štruktúry batérie a kvalita separátora rozhodujúcimi faktormi bezpečnosti batérie. Vysokokvalitné batérie sa pred opustením továrne podrobujú prísnym testom vrátane testu „penetrácie nechtom“ (aj keď nie je všeobecne povinný) zameraný na skrat v dôsledku poškodenia integrity kladných a záporných elektród a separátora.

S ohľadom na túto skutočnosť sa prirodzená cesta k zlepšeniu bezpečnosti javí ako jasná: horľavý organický elektrolyt nahraďte nehybným, nepresakujúcim, tepelne stabilným pevným materiálom. Pevné batérie sa stali samozrejmou „ďalšou stanicou“ v pláne priemyslu batérií pre ich bezpečnosť a hustotu energie. Cesta k širokému prijatiu sa však ukázala ako nepolapiteľná. Napriek tomu, že americké národné laboratórium Oak Ridge vytvorilo prvú polovodičovú batériu už v roku 1990, stále pretrvávali technologické prekážky.

Vo svete polovodičových batérií existujú tri hlavné systémy pre materiály s pevným elektrolytom: polyméry, oxidy a sulfidy. Každý z nich má svoje silné a slabé stránky a všetci musia čeliť problémom škálovateľnosti výroby a kontroly kvality, ktoré sú vlastné komercializácii.

Skeptici sa posmievajú zníženému dojazdu elektrických vozidiel v zime v dôsledku slabého výkonu súčasných tekutých batérií pri nízkych teplotách, zatiaľ čo potenciálne riziko spaľovania počas nabíjania v lete je tiež problémom. To podčiarkuje potrebu bezpečnejšej a efektívnejšej batérie, ktorá zvládne požiadavky všetkých ročných období.

Experimentovanie s 3D tlačou na vytvorenie zložitých štruktúr pre tuhé elektrolyty ukázalo istý sľub. Napríklad výskumníci z Oxfordskej univerzity použili 3D tlač na vytvorenie trojrozmernej konštrukcie naplnenej pevným elektrolytom, aby sa zlepšila mechanická pevnosť a zabránilo sa ľahkému lámaniu. Podobne americká spoločnosť Sakuu používa technológiu tryskania spojiva na nanášanie požadovaných elektródových materiálov a pevných práškových elektrolytov na substrát a ich „tuhnutie“ pomocou kvapalných činidiel.

Zatiaľ čo 3D tlač môže ponúknuť prostriedky na rozšírenie kontaktnej plochy rozhrania a kontrolu pórovitosti materiálu, stále existujú veľké prekážky, ktoré je potrebné prekonať, kým sa tieto experimentálne techniky pretransformujú na životaschopné, sériovo vyrábané riešenie. Vyváženie výkonu a nákladov, dosiahnutie škálovateľnosti a dodržiavanie prísnych noriem kontroly kvality sú hroziace výzvy, ktoré udržujú tieto sľubné riešenia v laboratóriu a nie na cestách.

Ako sa rútime do čoraz elektrickej budúcnosti, inherentné riziká a neustála snaha o zlepšovanie bezpečnostných opatrení udržiavajú priemysel v stave toku. Napriek skľučujúcim výzvam pokračuje pochod smerom k bezpečnejšiemu a efektívnejšiemu odvetviu elektrických vozidiel, poháňaný vytrvalými inováciami a odhodlaním k udržateľnej budúcnosti. Ako vždy, New Yorker bude pozorne sledovať tento vývoj, pripravený poskytnúť prehľad a analýzu na ceste, ktorá nás čaká.