Литий-ионные батареи с высокой плотностью энергии используются повсеместно — от питания портативной электроники до хранения в масштабе энергосистемы, — но дефекты могут привести к перегреву и взрывам.Хотя катастрофические поломки случаются крайне редко, недавние громкие дела, включая отзыв линейки смартфонов Samsung Galaxy Note 7 и заземление парка самолетов, подчеркивают, почему важно понимать отказ батареи.«В предыдущей работе мы отслеживали выход из строя литий-ионной батареи, вызванный сильным нагревом, в 3D и в реальном времени, но это первый раз, когда мы отслеживаем, что происходит с температурой и структурой ячеек, когда мы замыкаем батарею накоротко. контролируемым образом во внутреннем местоположении по нашему выбору, инициируя серию потенциально опасных событий », — объяснил первый автор, доктор Донал Финеган (UCL, NASA и NREL).
«Это представляет особый интерес, поскольку считается, что короткое замыкание является причиной ряда громких, реальных отказов. Знание того, когда и где выйдет из строя ячейка, позволило нам подробно охарактеризовать, что происходит во время катастрофического отказа, используя высокоскоростная рентгеновская визуализация. Это дает нам новые идеи, помогающие при проектировании и разработке более безопасных и надежных литий-ионных аккумуляторов ».В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Energy and Environmental Science, участвовали исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Космического центра имени Джонсона (США), Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL, США), Университета Уорика WMG, Diamond Light Source (Великобритания), Европейский синхротрон (ESRF, Франция) и Национальная физическая лаборатория (NPL, Великобритания).
Чтобы вызвать сбой, команда вставила устройство, способное генерировать внутреннее короткое замыкание по запросу и в заранее определенном месте, в коммерчески доступные литий-ионные батареи, которые обычно используются для питания портативной электроники и электромобилей.Разработанное и запатентованное американскими исследователями доктором Эриком Дарси (НАСА) и Мэтью Кейзером (NREL) устройство с температурной активацией позволяет исследователям имитировать скрытые дефекты, которые могут возникнуть в процессе производства аккумуляторов, что приводит к опасной цепной реакции выделения тепла и аккумулятора. отказ.Команда использовала устройство, чтобы получить представление об уязвимостях конструкции ячеек, вызывая разрыв стенок ячеек или разрыв ячеек. Используя высокоскоростную рентгеновскую визуализацию, исследователи отслеживали, что происходило со структурой клеток в режиме реального времени, поскольку короткое замыкание привело к катастрофическому процессу отказа, который распространялся через клетки и модули.
Отдельные элементы, а также модули малых ячеек были испытаны в условиях, представляющих наихудший сценарий отказа батареи. Короткие замыкания возникли внутри батарей при температуре ~ 60 ° C. В процессе отказа температура элементов превысила 1085 ° C.
На основе анализа кадра за кадром высокоскоростной визуализации команда изучила эффекты образования газовых карманов, вентиляции и повышения температуры на слоях внутри двух отдельных коммерческих литий-ионных батарей и определила устойчивые механизмы отказа.Автор-корреспондент доктор Пол Ширинг (UCL) объяснил: «Удивительно видеть, как быстро процесс теплового разгона может распространяться по этим клеткам, которые превратились из полностью неповрежденных в полностью разрушенные в течение примерно одной секунды.
«Это исследование дает первое описание того, как короткое замыкание распространяется внутри ячейки в реальном времени, это стало возможным только за счет сочетания новых устройств короткого замыкания, разработанных НАСА и NREL, со сверхвысокоскоростной рентгеновской визуализацией. с удивлением узнал, насколько восприимчивы соседние ячейки к распространению теплового разгона. Это демонстрирует важность изоляции вышедших из строя ячеек в более крупных аккумуляторных блоках и модулях, которые могут быть найдены в широком спектре приложений, от космических скафандров до электромобилей ».
Теперь команда планирует изучить, как эти новые идеи могут быть использованы для повышения безопасности коммерческих батарей и модулей. Например, исследователи будут изучать, как можно предотвратить разрыв коммерческих ячеек с самой высокой плотностью энергии и как снизить риск распространения от ячейки к ячейке.