Vad händer när ett EV-batteri brinner?

När ett EV-batteri brinner beror det vanligtvis på ett fenomen som kallas "termisk runaway". I förenklade termer är det en kedjereaktion som börjar när en cell i batteriet blir överhettad av någon anledning, ofta på grund av yttre fysisk skada, överhettning eller överladdning (kallas "externa skador"). Ibland kan det utlösas av ett internt problem som tillverkningsfel eller en kortslutning i battericellen (kallas "inre bekymmer").

Ett brinnande elbilsbatteri kan vara särskilt oroande eftersom batterierna i elbilar, till skillnad från en traditionell förbränningsmotorbil, ofta löper över fordonets längd. När en cell i ett elbilsbatteri tar eld, kan värmen göra att närliggande celler också tar eld, vilket leder till en kedjereaktion som snabbt kan uppsluka hela batteripaketet och eventuellt hela fordonet.

För att förvärra problemet innehåller den vanligaste typen av batteri som används i dagens elbilar, litiumjonbatteriet, brandfarliga organiska flytande elektrolyter. Detta gör dessa batterier mer benägna att fatta eld och explodera när de skadas eller hanteras felaktigt. Dessutom finns det en specifik risk som kallas "litiumdendriter", som är små, nålliknande utsprång som kan utvecklas på anoden under laddning. Om dessa dendriter växer tillräckligt stora kan de tränga igenom separatorn, orsaka kortslutning och eventuellt leda till en termisk flyktsituation.

Därför är integriteten hos batteristrukturen och kvaliteten på separatorerna avgörande faktorer för att säkerställa säkerheten för ett EV-batteri. Som sådana genomgår kvalitetsbatterier olika stresstester innan de lämnar fabriken, inklusive ett "punkteringstest" som simulerar en kortslutning orsakad av samtidig skada på de positiva och negativa elektroderna och separatorn.

Trots ovanstående är det viktigt att notera att termisk flykt i elbilar är relativt sällsynt, och många tillverkare, forskare och institutioner arbetar hårt för att ytterligare förbättra säkerheten för dessa batterier. Ett tillvägagångssätt är utvecklingen av solid-state-batterier, som ersätter den brandfarliga flytande elektrolyten med en icke brandfarlig fast. Men från och med 2023 är dessa batterier fortfarande till stor del i forsknings- och utvecklingsstadiet.

I början av augusti 2023 kolliderade en NIO ES8 med en vägpelare i Zhejiang, Kina, och bröt ut i lågor inom några sekunder och krävde förarens liv. Händelsen är fortfarande under utredning. Bara några dagar innan, i slutet av juli, kolliderade en Tesla Model Y och en Audi sedan i Dongguan, Guangdong. Tesla tappade kontrollen, slog i ett skyddsräcke och bröt upp i lågor.

Spola tillbaka lite längre och vi hittar en NIO AUTO batteribytesstation i Jiangmen, Guangdong, som brinner. Orsaken? En NIO-användares batteri, fjärridentifierat som skadat av yttre krafter, fattade eld under inspektionen när de återvände till stationen.

Det här är de mardrömsscenarier som många bensinentusiaster som är motståndskraftiga mot elfordonens omfamning har föreställt sig, och de svåraste att lindra: säkerheten för elbilsbatterier. Denna rädsla är inte ogrundad; batteribränder kan vara mer alarmerande i elbilar än konventionella bilar. Till exempel är batteriet i en EV integrerat i hela fordonet, vilket gör det benäget att förbrännas totalt i händelse av brand. Ännu mer oroande, medan konventionella fordonsbränder i allmänhet är förknippade med trafikolyckor, kan elbilar ibland självantända i vila, vilket gör nyheterna mer framträdande.

Vanliga orsaker till dessa "termiska skenande" incidenter delas in i två kategorier: yttre hot och inre oro. Externa hot involverar mekanisk missbruk, termisk missbruk och elektrisk missbruk, vanligtvis på grund av olyckor, höga temperaturer, överladdning eller urladdning. Förutom att fatta eld vid allvarlig kollision under trafikincidenter, rapporterade NIO även en spontan förbränningshändelse av en ES8 EV under 2019 under underhåll på grund av en kortslutning orsakad av kompression av batteripaketets struktur efter en chassikollision. Nästan alla andra kinesiska elbilstillverkare har rapporterat liknande fall.

De så kallade interna bekymmer är mångfacetterade. Nuvarande litiumjonbatterier, huvudsakligen sammansatta av positiva och negativa elektroder, separatorer och elektrolyt, utgör sina egna unika faror. Till exempel uppstår fenomenet med litiumplätering när litiumjoner som rör sig i batteriet samlas på det tunna membranet som separerar elektroderna och bildar litiumdendriter. Dessa dendriter kan tränga igenom membranet och orsaka kortslutning och snabb värmeackumulering.

Därför är batteristrukturens integritet och separatorkvalitet avgörande faktorer för batterisäkerhet. Batterier av hög kvalitet genomgår rigorösa tester innan de lämnar fabriken, inklusive ett "spikpenetrationstest" (även om det inte är universellt obligatoriskt) som syftar till att kortsluta genom att skada integriteten hos de positiva och negativa elektroderna och separatorn.

Med detta i åtanke verkar den naturliga vägen till säkerhetsförbättring tydlig: ersätt den brandfarliga organiska elektrolyten med ett orörligt, icke-läckande, termiskt stabilt fast material. Solid-state-batterier har blivit den självklara "nästa station" i batteriindustrins färdplan för deras säkerhet och energitäthet. Men resan till utbredd adoption har visat sig svårfångad. Trots att US Oak Ridge National Laboratory skapade det första solid-state-batteriet redan 1990, har konsekventa tekniska hinder bestått.

I en värld av solid state-batterier finns det tre vanliga system för fasta elektrolytmaterial: polymerer, oxider och sulfider. Var och en har sina egna styrkor och svagheter, och alla måste kämpa med produktionsskalbarheten och kvalitetskontrollutmaningarna som är inneboende i kommersialisering.

Skeptiker hånar elfordons minskade räckvidd på vintern på grund av nuvarande vätskebatteriers dåliga lågtemperaturprestanda, samtidigt som den potentiella risken för förbränning vid laddning på sommaren också är ett bekymmer. Detta understryker behovet av ett säkrare, mer effektivt batteri som klarar alla årstiders krav.

Experiment med 3D-utskrift för att skapa komplexa strukturer för fasta elektrolyter har visat något lovande. Till exempel har forskare vid University of Oxford använt 3D-utskrift för att konstruera ett tredimensionellt ramverk, fyllt med en fast elektrolyt, för att förbättra den mekaniska styrkan och förhindra lätt frakturering. På liknande sätt använder det amerikanska företaget Sakuu bindemedelsstråleteknik för att deponera erforderligt elektrodmaterial och fasta elektrolytpulver på ett substrat och "stelna" dem med flytande reagens.

Även om 3D-utskrift kan erbjuda ett sätt att utöka gränssnittets kontaktyta och kontrollera materialporositeten, finns det fortfarande stora hinder att övervinna innan dessa experimentella tekniker kan omvandlas till en livskraftig, massproducerad lösning. Att balansera prestanda och kostnad, uppnå skalbarhet och upprätthålla stränga kvalitetskontrollstandarder är de hotande utmaningarna som håller dessa lovande lösningar i labbet snarare än på vägen.

När vi tävlar in i en allt mer elektrisk framtid, håller de inneboende riskerna och den ständiga strävan efter förbättrade säkerhetsåtgärder industrin i ett tillstånd av förändring. Trots de skrämmande utmaningarna fortsätter marschen mot en säkrare och effektivare elfordonsindustri, driven av obeveklig innovation och engagemang för en hållbar framtid. Som alltid kommer New Yorker att hålla ett skarpt öga på denna utveckling, redo att erbjuda insikter och analyser om den kommande resan.