Какво представляват огнезащитните материали?
Миналия месец ми се обади асемблер на пакети в Охайо. Неговият клиент искаше да знае защо тяхната складова застраховка се повиши с 40%, след като започнаха да съхраняват литиеви клетки. Застрахователят цитира топлинно бягство. Монтажникът ме попита какво може да им каже за безопасността на електролита. Казах му същото, което казвам на всички. Карбонатните разтворители във вашите клетки ще изгорят. Въпросът е какво правите по въпроса.
Електролитът съставлява около 10-15% от теглото на клетката. Етилен карбонат, диметил карбонат, етил метил карбонат. Това са работните коне. Те разтварят добре литиевите соли. Те позволяват на йоните да се движат бързо. Те също имат точки на възпламеняване в диапазона 30-40 градуса. Пробита торбичка може да достигне 200 градуса вътрешно за по-малко от минута. Математиката не е сложна.
Фосфорните съединения се появиха в електролитите на батериите около 2003 г. Триметил фосфатът беше първият, който хората опитаха сериозно. Действа чрез освобождаване на PO радикали, когато стане горещо. Тези радикали грабват водород от фронта на пламъка и спират верижната реакция на горене. Можете да намалите -времето за самозагасване от 50+ секунди на грам до едноцифрено число. Компромисът е вискозитетът. Фосфатите сгъстяват електролита. Йонната проводимост пада. Губите способност за скорост.
За компании, които доставят клетки, попитайте вашитепроизводител на литиева батерияФормулирането на електролита трябва да е стандартна практика сега. Пейзажът се промени от 2020 г. насам. Китайските производители на клетки сега доставят продукти със смеси от фосфат-естери, които постигат същите характеристики на пламък като японските клетки, продавани на два пъти по-висока цена преди пет години. Zhangjiagang Guotai-Huarong доставя електролит на няколко големи производители на клетки. Подобренията в безопасността се преместиха надолу по течението.
Флуорираните съединения се появяват по-късно. Хидрофлуороетери. Флуорирани карбонати като FEC и FEMC. Флуорните атоми в гръбнака на молекулата нарушават разпространението на радикалите по различен начин от фосфора. Резултатите са добри. Разходите не са. Флуорираните материали все още работят 3-5 пъти по-скъпо от това, което плащате за стандартните карбонати. Познавам хора, които ги определят на 5-10%, само за да достигнат прага на безопасност, без да унищожат спецификацията си.
Йонните течности получиха много нагласа около 2015-2018 г. Почти нулево налягане на парите. Няма да се запали при нормален сценарий на злоупотреба. Обиколих една лаборатория в Мюнстер, която работеше върху тях в продължение на шест години. Изследователят ми показа клетки, които са издържали на 200 градуса външно нагряване без вентилация. Той също така ми каза, че плащат 85 евро/кг за йонната течност. Търговските EC/DMC смеси струват под €4/kg. Икономиката го уби за автомобилите. Някои аерокосмически приложения могат да поемат тези разходи. Повечето не могат.
Гел-полимерните електролити имат различен подход. Вие улавяте течната фаза в полимерна матрица. PVDF-HFP е често срещан. Някои групи вграждат фосфор директно в полимерната основа. Забавянето на горенето става структурно. Изследователи от университета Кингдао публикуваха работа миналата година върху полиимидни системи с фосфазенови странични вериги. Време-на самозагасване под 5 секунди. Механична якост, достатъчно висока, за да забави растежа на дендритите. Предизвикателството е производството. Покритието от--ролка на гел електролити не е толкова зряло, колкото течното пълнене.
При оценка на aперсонализиран доставчик на литиева батерияза индустриални приложения задавайте конкретни въпроси относно безопасността. Какъв е КОМПЛЕКТЪТ на вашата електролитна формула? Каква концентрация на добавка за забавяне на горенето използвате? Можете ли да предоставите данни за конична калориметрия? Някои производители на клетки ще споделят тази информация. Други го третират като патентован. Премиум марките обикновено използват 12-18% добавка на базата на фосфат спрямо теглото в стандартните си автомобилни клетки.
Индустрията тества устойчивостта на горене по няколко начина. Само{1}}времето за самозагасване е бързото. Запалвате проба и измервате колко време гори след отстраняване на източника на запалване. Ограничаващият кислороден индекс ви казва минималната концентрация на O2, необходима за поддържане на горенето. UL 2054 и IEC 62133 задават критерии за преминаване/неуспех за готовите клетки. Китайският GB 38031-2020 изисква 5 минути време за предупреждение, преди термичното разпространение да достигне до съседни клетки в пакет. Спазването на тази спецификация често изисква електролити със забавяне на горенето.
Изтеглянето избута този въпрос на преден план. GM изтегли 140 000 Bolt EV, започвайки през 2021 г. Hyundai изтегли Kona Electrics. Ford забави производството на Lightning. Основните причини са различни. Някои бяха производствени дефекти. Някои бяха проблеми с дизайна на клетката. Всички те накараха отделите за закупуване на OEM да задават по-трудни въпроси. Всякаквилитиева батерия OEM партньоропитвайки се да се квалифицират за автомобилостроенето, сега се изправят пред по-строг контрол върху документацията за термична безопасност, отколкото през 2019 г.
Материалните разходи се добавят към реални пари в мащаб. Автомобилен пакет от 60 kWh съдържа приблизително 40-50 kg електролит в зависимост от формата на клетката и натоварването. Добавянето на 15% забавител на горенето при $15/kg допълнителни разходи означава $90-110 на опаковка. Разходите на ниво клетка са паднали под $100/kWh за най-евтините LFP призматични клетки от Китай. Този забавител на горенето представлява около 1,5% от цената на клетката. Екипите по обществените поръчки спорят за стотинки на kWh. Това не са стотинки.
За компании, които изграждат отношения с aдоставчик на модул за сглобяване на литиева батерия, спецификацията на електролита често се пренебрегва в ранните дискусии. Хората се фокусират върху капацитета, жизнения цикъл, C-скоростта. Забавянето на горенето се проявява по-късно, обикновено когато крайният клиент поиска документация за безопасност. Дотогава дизайнът на клетката е заключен. Преоборудването с различна електролитна формула може да промени импеданса, капацитета и характеристиките на стареене. По-добре да се уточни предварително.
Изследователската програма има интересна работа. Локализираните електролити с висока-концентрация използват фосфатни разтворители, разредени с незапалими флуорирани етери-. Получавате забавянето на горенето на фосфатите с вискозитета и проводимостта на традиционните карбонати. Argonne публикува по този въпрос. Няколко университетски групи в Китай работят върху варианти. Търговската наличност е вероятно след 2-3 години за автомобилен клас.
Клетките в твърдо{0}} състояние биха решили изцяло проблема със запалимостта. Керамичните и сулфидните електролити не горят. Те също така все още не съществуват в мащаба на автомобилното производство. CATL, Samsung SDI, Toyota и QuantumScape изместиха сроковете си за твърдо състояние с 2-4 години в последните съобщения. Всякаквидоставчик на решения за безопасност на литиеви батериище ви каже, че течните електролити със забавяне на горенето остават практическият отговор поне до 2028 г. за повечето приложения.
Прекарах петнадесет години в работа по този проблем в различни роли. Технологията е подобрена. Разходите са намалели. Все още се случват клетъчни пожари. Те се случват по-рядко, отколкото преди десет години, и клетките днес съхраняват повече енергия, отколкото клетките тогава. Индустрията се движеше в правилната посока. Има още работа.
