Що відбувається, коли батарея EV горить?

Коли батарея електромобіля перегорає, це зазвичай відбувається через явище, яке називається «теплова втеча». Спрощено кажучи, це ланцюгова реакція, яка починається, коли елемент батареї з певної причини перегрівається, часто через зовнішні фізичні пошкодження, перегрів або надмірне заряджання (так звані «зовнішні пошкодження»). Іноді це може бути викликано внутрішньою проблемою, як-от виробничі дефекти або коротке замикання в елементі батареї (так звані «внутрішні проблеми»).

Палаюча батарея електромобіля може викликати особливе занепокоєння, оскільки, на відміну від традиційного автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння, акумулятори електромобілів часто займають всю довжину автомобіля. Коли один елемент акумуляторної батареї електромобіля загориться, тепло може спричинити загоряння сусідніх елементів, що призведе до ланцюгової реакції, яка може швидко охопити весь акумуляторний блок і, можливо, весь автомобіль.

Щоб ускладнити проблему, найпоширеніший тип акумулятора, який використовується в сучасних електромобілях, літій-іонний акумулятор, містить легкозаймисті органічні рідкі електроліти. Це робить ці батареї більш схильними до займання та вибуху в разі пошкодження або неправильного поводження. Крім того, існує особлива небезпека під назвою «дендрити літію», які є крихітними голчастими виступами, які можуть утворитися на аноді під час заряджання. Якщо ці дендрити виростуть достатньо великими, вони можуть пробити сепаратор, викликаючи коротке замикання та, можливо, призводячи до ситуації термічного відтоку.

Таким чином, цілісність структури батареї та якість сепараторів є вирішальними факторами для забезпечення безпеки батареї EV. Таким чином, якісні батареї проходять різні стрес-тести перед тим, як залишити фабрику, включаючи тест на «прокол», який імітує коротке замикання, викликане одночасним пошкодженням позитивного та негативного електродів і сепаратора.

Незважаючи на вищесказане, важливо відзначити, що теплові розбіжності в електромобілів зустрічаються відносно рідко, і багато виробників, дослідників та установ старанно працюють над подальшим підвищенням безпеки цих батарей. Одним із підходів є розробка твердотільних батарей, які замінюють легкозаймистий рідкий електроліт на негорючий твердий. Однак станом на 2023 рік ці батареї все ще перебувають на стадії досліджень і розробок.

На початку серпня 2023 року NIO ES8 зіткнувся з дорожнім стовпом у провінції Чжецзян, Китай, і за лічені секунди спалахнув, забравши життя водія. Інцидент досі розслідується. Лише кілька днів тому, наприкінці липня, Tesla Model Y і седан Audi зіткнулися в Дунгуані, Гуандун. Tesla не впоралася з керуванням, вдарилася об огорожу та спалахнула.

Перемотайте трохи далі, і ми побачимо, що станція заміни акумуляторів NIO AUTO у Цзянмені, Гуандун, горить. Причина? Батарея користувача NIO, дистанційно ідентифікована як пошкоджена зовнішніми силами, загорілася під час перевірки після повернення на станцію.

Це кошмарні сценарії, які уявляли багато бензинових ентузіастів, які протистоять обіймам електромобілів (EV), і найважче полегшити: безпека акумуляторів EV. Цей страх не безпідставний; Загоряння батареї можуть бути більш тривожними для електромобілів, ніж для звичайних автомобілів. Наприклад, батарея в електромобілі вбудована в автомобіль, що робить його схильним до повного згоряння в разі пожежі. Ще більш тривожним є те, що пожежі звичайних автомобілів зазвичай пов’язані з дорожньо-транспортними пригодами, електромобілі іноді можуть самозайматися під час спокою, що робить новини більш помітними.

Звичайні причини цих інцидентів із «тепловими втечами» діляться на дві категорії: зовнішні загрози та внутрішні занепокоєння. Зовнішні загрози включають механічне, термічне та електричне пошкодження, як правило, через нещасні випадки, високі температури, перезарядження або розрядження. Окрім загоряння під час серйозного зіткнення під час дорожньо-транспортних пригод, NIO також повідомила про самозаймання ES8 EV у 2019 році під час технічного обслуговування через коротке замикання, спричинене стисненням конструкції акумуляторної батареї після удару шасі. Майже всі інші китайські виробники електромобілів повідомляли про подібні випадки.

Так звані внутрішні турботи багатогранні. Сучасні літій-іонні батареї, що складаються переважно з позитивних і негативних електродів, сепараторів і електроліту, представляють свої унікальні небезпеки. Наприклад, явище літієвого покриття відбувається, коли іони літію, що рухаються всередині акумулятора, накопичуються на тонкій мембрані, що розділяє електроди, утворюючи літієві дендрити. Ці дендрити можуть пробити мембрану, спричинивши коротке замикання та швидке накопичення тепла.

Отже, цілісність структури батареї та якість сепаратора є вирішальними факторами безпеки батареї. Високоякісні батареї проходять ретельні випробування перед тим, як залишити фабрику, включно з тестом на проникнення цвяхом (хоча він не є обов’язковим), спрямованим на коротке замикання через пошкодження цілісності позитивних і негативних електродів і сепаратора.

Маючи це на увазі, природний шлях до підвищення безпеки здається зрозумілим: замініть легкозаймистий органічний електроліт нерухомим, непротікаючим, термічно стабільним твердим матеріалом. Твердотільні батареї стали очевидною «наступною станцією» в плані акумуляторної промисловості щодо їх безпеки та щільності енергії. Однак шлях до широкого впровадження виявився невдалим. Незважаючи на те, що Національна лабораторія США в Оук-Ріджі створила першу твердотільну батарею ще в 1990 році, незмінні технологічні перешкоди залишаються.

У світі твердотільних батарей існує три основні системи для твердих електролітних матеріалів: полімери, оксиди та сульфіди. Кожен має свої сильні та слабкі сторони, і всі повинні боротися з проблемами масштабованості виробництва та контролю якості, властивими комерціалізації.

Скептики насміхаються зі скороченого запасу ходу електромобілів взимку через низьку продуктивність поточних рідинних акумуляторів при низьких температурах, тоді як потенційний ризик займання під час зарядки влітку також викликає занепокоєння. Це підкреслює потребу в безпечнішій та ефективнішій батареї, яка б витримала всі пори року.

Експерименти з 3D-друком для створення складних структур для твердих електролітів показали певну перспективу. Наприклад, дослідники з Оксфордського університету використали 3D-друк, щоб побудувати тривимірний каркас, наповнений твердим електролітом, щоб покращити механічну міцність і запобігти легкому руйнуванню. Подібним чином американська компанія Sakuu використовує технологію струминної обробки зв’язуючих матеріалів для нанесення необхідних електродних матеріалів і порошків твердого електроліту на підкладку та «затвердіння» їх рідкими реагентами.

Незважаючи на те, що 3D-друк може запропонувати засіб для розширення контактної площі інтерфейсу та контролю пористості матеріалу, все ще потрібно подолати серйозні перешкоди, перш ніж ці експериментальні методи можна буде перетворити на життєздатне рішення для масового виробництва. Збалансування продуктивності та вартості, досягнення масштабованості та дотримання суворих стандартів контролю якості — ось назріваючі виклики, які залишають ці багатообіцяючі рішення в лабораторії, а не в дорозі.

Поки ми йдемо до майбутнього, яке стає все більш електричним, невід’ємні ризики та постійне прагнення покращити заходи безпеки тримають галузь у стані зміни. Незважаючи на складні виклики, рух до більш безпечної та ефективної індустрії електромобілів продовжується, підживлюваний невпинними інноваціями та прагненням до сталого майбутнього. Як завжди, New Yorker пильно стежить за цими подіями, готовий запропонувати розуміння та аналіз майбутньої подорожі.