Kaj se zgodi, ko baterija EV zgori?

Ko baterija EV zgori, je to običajno posledica pojava, imenovanega "termični beg". Poenostavljeno povedano, gre za verižno reakcijo, ki se začne, ko se celica v bateriji iz nekega razloga pregreje, pogosto zaradi zunanjih fizičnih poškodb, pregrevanja ali prekomernega polnjenja (imenovano "zunanje poškodbe"). Včasih ga lahko sproži notranja težava, kot so proizvodne napake ali kratek stik v baterijski celici (imenovane "notranje skrbi").

Goreča baterija za električna vozila je lahko še posebej zaskrbljujoča, ker za razliko od tradicionalnih avtomobilov z motorjem z notranjim zgorevanjem baterije v električnih vozilih pogosto pokrivajo dolžino vozila. Ko se ena celica v baterijskem paketu EV vname, lahko toplota povzroči, da se vnamejo tudi bližnje celice, kar vodi do verižne reakcije, ki lahko hitro zajame celoten akumulator in potencialno celotno vozilo.

Najpogostejša vrsta baterije, ki se uporablja v današnjih električnih vozilih, litij-ionska baterija, je težava še večja, vsebuje vnetljive organske tekoče elektrolite. Zaradi tega so te baterije bolj nagnjene k požaru in eksploziji, če so poškodovane ali z njimi nepravilno ravnate. Poleg tega obstaja posebno tveganje, imenovano "litijevi dendriti", ki so drobne, igličaste štrline, ki se lahko razvijejo na anodi med polnjenjem. Če ti dendriti zrastejo dovolj, lahko prebodejo separator, kar povzroči kratek stik in morebitno toplotno uhajanje.

Zato sta celovitost strukture baterije in kakovost separatorjev ključna dejavnika pri zagotavljanju varnosti baterije EV. Kot take so kakovostne baterije podvržene različnim stresnim testom, preden zapustijo tovarno, vključno s testom "predrtja", ki simulira kratek stik, ki ga povzroči hkratna poškodba pozitivne in negativne elektrode ter separatorja.

Kljub zgoraj navedenemu je pomembno omeniti, da je toplotni beg v električnih vozilih razmeroma redek in da si številni proizvajalci, raziskovalci in ustanove marljivo prizadevajo za nadaljnje izboljšanje varnosti teh baterij. Eden od pristopov je razvoj polprevodniških baterij, ki nadomeščajo vnetljiv tekoči elektrolit z nevnetljivim trdnim. Vendar pa so od leta 2023 te baterije še vedno večinoma v fazi raziskav in razvoja.

V zgodnjih dneh avgusta 2023 je NIO ES8 trčil v cestni steber v Zhejiangu na Kitajskem in v nekaj sekundah izbruhnil ogenj ter zahteval življenje voznika. Incident še preiskujejo. Samo nekaj dni pred tem, konec julija, sta v Dongguanu v Guangdongu trčila Tesla Model Y in Audi limuzina. Tesla je izgubila nadzor, trčila v zaščitno ograjo in zagorela.

Če previjemo še malo nazaj, vidimo postajo za menjavo baterij NIO AUTO v mestu Jiangmen, Guangdong, ki gori. Vzrok? Baterija uporabnika NIO, ki je bila na daljavo prepoznana kot poškodovana zaradi zunanjih sil, je zagorela med pregledom po vrnitvi na postajo.

To so scenariji nočne more, ki so si jih predstavljali številni bencinski navdušenci, ki se upirajo objemu električnih vozil (EV), in ki jih je najtežje omiliti: varnost baterij EV. Ta strah ni neutemeljen; požari akumulatorjev so lahko bolj zaskrbljujoči pri električnih vozilih kot pri običajnih avtomobilih. Na primer, baterija v EV je vgrajena v celotno vozilo, zaradi česar je nagnjena k popolnemu zgorevanju v primeru požara. Še bolj vznemirljivo je, da so požari pri običajnih vozilih na splošno povezani s prometnimi nesrečami, medtem ko lahko električna vozila včasih spontano zagorijo, ko mirujejo, zaradi česar so novice bolj opazne.

Pogosti razlogi za te incidente s "toplotnim pobegom" spadajo v dve kategoriji: zunanje grožnje in notranje skrbi. Zunanje grožnje vključujejo mehansko, toplotno in električno zlorabo, običajno zaradi nesreč, visokih temperatur, prekomernega polnjenja ali praznjenja. Poleg zajetja požara ob hudem trčenju med prometnimi incidenti je NIO poročal tudi o spontanem vžigu ES8 EV leta 2019 med vzdrževanjem zaradi kratkega stika, ki ga je povzročilo stiskanje strukture paketa baterij po udarcu šasije. Skoraj vsi drugi kitajski proizvajalci električnih vozil so poročali o podobnih primerih.

Tako imenovane notranje skrbi so večplastne. Trenutni litij-ionski akumulatorji, sestavljeni predvsem iz pozitivnih in negativnih elektrod, separatorjev in elektrolita, predstavljajo svoje edinstvene nevarnosti. Na primer, pojav litijeve prevleke se pojavi, ko se litijevi ioni, ki se gibljejo znotraj baterije, kopičijo na tanki membrani, ki ločuje elektrode, in tvorijo litijeve dendrite. Ti dendriti lahko predrejo membrano, kar povzroči kratek stik in hitro kopičenje toplote.

Zato sta celovitost strukture baterije in kakovost separatorja ključni dejavniki varnosti baterije. Visokokakovostne baterije so podvržene strogemu testiranju, preden zapustijo tovarno, vključno s testom "penetracije žebljev" (čeprav ni povsod obvezen), katerega cilj je kratek stik s poškodovanjem integritete pozitivnih in negativnih elektrod ter separatorja.

S tem v mislih se zdi naravna pot do izboljšanja varnosti jasna: zamenjajte vnetljiv organski elektrolit z nepremičnim, toplotno stabilnim trdnim materialom, ki ne pušča. Polprevodniške baterije so postale očitna »naslednja postaja« v načrtu industrije baterij glede njihove varnosti in energijske gostote. Vendar se je izkazalo, da je pot do širokega sprejemanja izmuzljiva. Kljub temu, da je ameriški nacionalni laboratorij Oak Ridge že leta 1990 izdelal prvo polprevodniško baterijo, še vedno obstajajo stalne tehnološke ovire.

V svetu polprevodniških baterij obstajajo trije glavni sistemi za trdne elektrolitske materiale: polimeri, oksidi in sulfidi. Vsak ima svoje prednosti in slabosti in vsi se morajo spopadati z izzivi razširljivosti proizvodnje in nadzora kakovosti, ki so del komercializacije.

Skeptiki se posmehujejo zmanjšanemu dosegu električnih vozil pozimi zaradi slabe učinkovitosti trenutnih tekočih baterij pri nizkih temperaturah, medtem ko je možno tveganje vžiga med polnjenjem poleti prav tako zaskrbljujoče. To poudarja potrebo po varnejši in učinkovitejši bateriji, ki bo kos zahtevam vseh letnih časov.

Eksperimentiranje s 3D tiskanjem za ustvarjanje kompleksnih struktur za trdne elektrolite je pokazalo nekaj obetavnega. Na primer, raziskovalci na Univerzi v Oxfordu so uporabili 3D-tiskanje za izdelavo tridimenzionalnega ogrodja, napolnjenega s trdnim elektrolitom, za izboljšanje mehanske trdnosti in preprečevanje lahkega zloma. Podobno ameriško podjetje Sakuu uporablja tehnologijo brizganja veziva za nanos zahtevanih elektrodnih materialov in prahu trdnega elektrolita na substrat in njihovo "strjevanje" s tekočimi reagenti.

Medtem ko lahko 3D-tiskanje ponudi sredstvo za razširitev kontaktne površine vmesnika in nadzor poroznosti materiala, je še vedno treba premagati velike ovire, preden se lahko te eksperimentalne tehnike preoblikujejo v izvedljivo rešitev za množično proizvodnjo. Uravnoteženje zmogljivosti in stroškov, doseganje razširljivosti in vzdrževanje strogih standardov nadzora kakovosti so grozeči izzivi, zaradi katerih te obetavne rešitve ostanejo v laboratoriju in ne na cesti.

Medtem ko drvimo v vse bolj električno prihodnost, inherentna tveganja in nenehno prizadevanje za izboljšane varnostne ukrepe ohranjajo industrijo v stanju toka. Kljub zastrašujočim izzivom se nadaljuje pohod proti varnejši in učinkovitejši industriji električnih vozil, ki ga spodbujajo neusmiljene inovacije in zavezanost trajnostni prihodnosti. Kot vedno bo New Yorker pozorno spremljal ta razvoj, pripravljen ponuditi vpogled in analizo na poti, ki je pred nami.