Годы исследований и разработок, постоянный мониторинг и десятки защитных систем — все это направлено на предотвращение теплового разгона в батареях. Теперь исследователи из Китайской академии наук предлагают простое решение: батареи, которые просто не могут загореться.
Их решение — конструкция натрий-ионной батареи, которая использует полимеризованный негорючий электролит, который быстро затвердевает под действием экстремального тепла, образуя внутренний защитный барьер.
Тепловой разгон давно является проблемой в технологиях аккумуляторов, особенно в литий-ионных батареях, которые обычно используют горючие электролиты. Этот вопрос получил еще большее внимание в связи с ростом использования электромобилей, учитывая размер батарей в этих транспортных средствах.
Это явление представляет собой самоускоряющуюся цепную реакцию, при которой батарея входит в неконтролируемое состояние нагрева. Как только достигается определенная температура, химические вещества внутри батареи начинают реагировать, выделяя больше тепла. Это тепло, в свою очередь, ускоряет реакции, порождая еще больше тепла в порочном круге. За миллисекунды или минуты температура может взлететь до 700-1000 °C (1292-1832 °F). Это часто приводит к выделению токсичных газов, сильным пожарам или взрывам.
Более того, поскольку батарея сама создает кислород во время этой реакции, традиционные огнетушители часто не могут потушить ее. Обычно приходится ждать, пока батарея не выгорит сама по себе. Тепловой разгон может быть спровоцирован различными условиями, включая повреждение батареи, перегрев, перезарядку, производственные дефекты, контакт с соленой водой и внешние пожары.
Звучит действительно страшно, впрочем, по данным EV FireSafe, вероятность того, что ваш электромобиль спонтанно загорится из-за неисправности батареи, составляет около 0,0012%. Этот показатель становится возможным благодаря действительно передовым инженерным решениям и огромному количеству ресурсов и усилий.
«Команда под руководством профессора Ху Юнчена заявила о первом в мире результате «нулевого теплового разгона» на уровне ампер-часовых натрий-ионных батарей. При этом, по данным BAIC, параллельно разрабатывается натрий-ионная батарея с полным зарядом примерно за 11 минут», — пишет PV Magazine.
Производители батарей тратят годы на исследования и проектирование каждого аспекта батареи — от химии ячеек до электрической архитектуры. Обычно за этим следует очень точное производство, а затем несколько раундов жестких испытаний. В дополнение к этим факторам, производители проектируют вокруг батарей многочисленные системы мониторинга, охлаждения, защиты и аварийного отключения.
Все эти меры требуют буквально лет усилий и затрат, которые легко могут достигать миллиардов долларов. Поэтому понятно, почему предложенное исследователями решение — батарея с встроенной системой предотвращения пожаров — является прорывом. Это батарея со встроенным умным брандмауэром, который автоматически предотвращает потенциальные пожары до их возникновения.
СпецпроектыBROCARD: як б'юті-ритейлер розвиває мобільний продукт — огляд застосунку та Великодньої гейміфікаціїВід застарілої інституції до data-product компанії: як будували Держстат 2.0
В отличие от традиционных литий-ионных батарей, которые используют горючие жидкие электролиты — обычно органические карбонаты, такие как этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC) и диэтилкарбонат, — эта новая конструкция основана на ионно-натриевой основе.
Она содержит полимеризованный негорючий электролит (PNE). Когда внутренняя температура батареи превышает 150 °C (302 °F), жидкий электролит подвергается быстрой химической реакции и затвердевает. Этот твердый барьер выполняет функцию внутреннего «брандмауэра», физически блокируя распространение тепла и прерывая цепные реакции, которые обычно приводят к взрывам.
В исследовании, опубликованном в Nature Energy, ученые подробно описали результаты испытаний. Батарея выдержала внешний нагрев до 300 °C (572 °F) без запуска теплового разгона. Ячейка также прошла тест на проникновение гвоздем, имитирующим внутреннее короткое замыкание, сохранив полную структурную целостность. И несмотря на дополнительные функции безопасности, ячейка сохранила конкурентоспособную удельную энергоемкость 211 Вт-ч/кг и надежно работала в температурном диапазоне от -40 °C до 60 °C (от -40 °F до 140 °F).
«Вместо единой линии защиты жидкий PNE может претерпеть быстрое фазовое изменение и затвердеть в плотный физический барьер, эффективно прерывая распространение тепла и предотвращая катастрофические пожары или взрывы, которые обычно связаны с отказом батареи», — объяснила исследовательская команда.
Преимущество натрий-ионных систем над литий-ионными очевидно. Натрий-ионные системы принципиально термически стабильнее. Они используют менее реактивные материалы, что делает их значительно менее подверженными реакциям разгона. С другой стороны, натрий-ионные батареи имеют более низкую удельную энергоемкость, то есть сохраняют меньше энергии на единицу объема, чем их литий-ионные аналоги. Однако это является приемлемой ценой за преимущества системы.
Прежде всего, она устраняет возможность возникновения пожара. Это огромное преимущество с точки зрения безопасности. Кроме того, система безопасности является пассивной, но чрезвычайно эффективной. Для «обнаружения» пожара не нужен компьютер или охлаждающий насос. Собственная химия батареи выполняет функцию физического предохранителя.
Также, поскольку батарея является принципиально безопасной, она уменьшает потребность в тяжелых и дорогих огнеупорных «сейфах» вокруг нее. Это делает весь автомобиль легче и дешевле в производстве.
«Компания HiNa (Zhongke Haina) — дочерняя структура того же института — ожидает, что натрий-ионные батареи достигнут ценового паритета с литий-ионными примерно в 2027 году, а к 2028-му ценовые диапазоны пересекутся по мере масштабирования производства. Тесты на тяжелых грузовиках уже показали снижение расхода энергии на километр примерно на 15% и увеличение запаса хода на ~20%», — сообщает портал CarNewsChina.
Но кое-что стоит отметить. Такие полимеризованные системы обычно разработаны как однонаправленный триггер безопасности. После затвердевания электролита он прекращает движение ионов и фактически выводит ячейку из строя. В исследовании это прямо не указано, но после срабатывания, скорее всего, понадобится ремонт на уровне батарейного блока.
Это не обязательно является недостатком, поскольку необратимое отключение является лучшим вариантом в конструкциях, критически важных для безопасности. Брандмауэр — это аварийная защита, ведь ожидается, что батареи будут работать значительно ниже 150 °C (302 °F).
Системе все равно нужна система охлаждения. Нормальная работа все равно генерирует тепло, а высокая температура может ухудшить производительность и сократить срок службы. Несмотря на эти вопросы, технология имеет далеко идущий потенциал не только для электромобилей, но и для любых систем, которые используют батареи.
Іронія долі: Tesla Cybertruck загорівся після того, як протаранив пожежний гідрант
Источник: New Atlas
