लिथियम-आयन बॅटरीचा थर्मल रनअवे आणि मटेरियल विश्लेषण

आज, विविध वाहन कंपन्या पॉवर बॅटरीमध्ये मोठ्या प्रमाणावर लिथियम बॅटरी वापरत आहेत आणि त्यांची ऊर्जा घनता अधिकाधिक वाढत आहे, परंतु पॉवर बॅटरीच्या सुरक्षिततेबद्दल लोकांमध्ये अजूनही संभ्रम आहे आणि हा बॅटरीच्या सुरक्षिततेसाठी एक चांगला उपाय नाही. थर्मल रनअवे हा पॉवर बॅटरीच्या सुरक्षिततेमधील संशोधनाचा मुख्य विषय आहे आणि त्यावर लक्ष केंद्रित करणे महत्त्वाचे आहे.

सर्वप्रथम, थर्मल रनअवे म्हणजे काय हे आपण समजून घेऊया. थर्मल रनअवे ही विविध कारणांमुळे सुरू होणारी एक साखळी प्रतिक्रिया आहे, ज्यामुळे बॅटरीमधून कमी कालावधीत मोठ्या प्रमाणात उष्णता आणि हानिकारक वायू बाहेर पडतात, आणि गंभीर प्रकरणांमध्ये यामुळे बॅटरीला आग लागून तिचा स्फोटही होऊ शकतो. थर्मल रनअवे होण्यामागे अनेक कारणे आहेत, जसे की अतिउष्णता, ओव्हरचार्जिंग, अंतर्गत शॉर्ट सर्किट, टक्कर इत्यादी. बॅटरीमधील थर्मल रनअवेची सुरुवात अनेकदा बॅटरी सेलमधील निगेटिव्ह SEI फिल्मच्या विघटनाने होते, त्यानंतर डायफ्रामचे विघटन आणि वितळणे होते, ज्यामुळे निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइट जळतात, आणि त्यानंतर पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड आणि इलेक्ट्रोलाइट या दोन्हींचे विघटन होते, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणावर अंतर्गत शॉर्ट सर्किट होते, इलेक्ट्रोलाइट जळतो, आणि ही आग इतर सेल्समध्ये पसरते, ज्यामुळे गंभीर थर्मल रनअवे होतो आणि संपूर्ण बॅटरी पॅकमध्ये आपोआप आग लागू शकते.

थर्मल रनअवेची कारणे अंतर्गत आणि बाह्य कारणांमध्ये विभागली जाऊ शकतात. अंतर्गत कारणे बहुतेकदा अंतर्गत शॉर्ट सर्किटमुळे असतात; बाह्य कारणे यांत्रिक गैरवापर, विद्युत गैरवापर, थर्मल गैरवापर इत्यादींमुळे होतात.

अंतर्गत शॉर्ट सर्किट, म्हणजेच बॅटरीच्या पॉझिटिव्ह आणि निगेटिव्ह टर्मिनल्समधील थेट संपर्क, हा संपर्काच्या तीव्रतेनुसार आणि त्यानंतर सुरू होणाऱ्या प्रतिक्रियेनुसार मोठ्या प्रमाणात बदलतो. सामान्यतः, यांत्रिक आणि उष्णतेच्या गैरवापरामुळे होणारे मोठे अंतर्गत शॉर्ट सर्किट थेट थर्मल रनअवेला चालना देते. याउलट, स्वतःहून निर्माण होणारे अंतर्गत शॉर्ट सर्किट तुलनेने किरकोळ असतात आणि त्यातून निर्माण होणारी उष्णता इतकी कमी असते की ते लगेच थर्मल रनअवेला चालना देत नाही. अंतर्गत स्व-विकासात सामान्यतः उत्पादन दोष, बॅटरीच्या वृद्धत्वामुळे होणारा विविध गुणधर्मांचा ऱ्हास (जसे की वाढलेला अंतर्गत रोध), दीर्घकाळच्या सौम्य गैरवापरामुळे लिथियम धातूचे थर जमा होणे इत्यादींचा समावेश होतो. जसजसा वेळ जमा होतो, तसतसा अशा अंतर्गत कारणांमुळे होणाऱ्या अंतर्गत शॉर्ट सर्किटचा धोका हळूहळू वाढत जातो.

यांत्रिक आघात म्हणजे बाह्य शक्तीच्या प्रभावामुळे लिथियम बॅटरी मोनोमर आणि बॅटरी पॅकचे विरूपण होणे, तसेच त्याच्या विविध भागांचे सापेक्ष विस्थापन होणे. विद्युत घटकावर होणाऱ्या आघातांच्या मुख्य प्रकारांमध्ये टक्कर, दाब आणि टोचणे यांचा समावेश होतो. उदाहरणार्थ, जास्त वेगाने जाणाऱ्या वाहनाला एखाद्या बाह्य वस्तूचा स्पर्श झाल्यास, त्यामुळे थेट बॅटरीच्या आतील डायफ्राम कोसळतो, ज्यामुळे बॅटरीमध्ये शॉर्ट सर्किट होऊन अल्पावधीतच आपोआप आग लागते.

लिथियम बॅटरीच्या विद्युत गैरवापरात सामान्यतः बाह्य शॉर्ट सर्किट, ओव्हरचार्ज, ओव्हर डिस्चार्ज अशा अनेक प्रकारांचा समावेश होतो, ज्यामुळे थर्मल रनअवे ते ओव्हरचार्ज होण्याची शक्यता जास्त असते. जेव्हा वेगवेगळ्या दाबाचे दोन वाहक सेलच्या बाहेर जोडले जातात, तेव्हा बाह्य शॉर्ट सर्किट होते. बॅटरी पॅकमधील बाह्य शॉर्ट्स हे वाहनांची टक्कर, पाण्यात बुडणे, वाहक दूषित होणे किंवा देखभालीदरम्यान विजेचा धक्का लागल्यामुळे होणाऱ्या विकृतीमुळे असू शकतात. सामान्यतः, पंक्चरच्या विपरीत, बाह्य शॉर्ट सर्किटमधून बाहेर पडणारी उष्णता बॅटरीला गरम करत नाही. बाह्य शॉर्ट सर्किट आणि थर्मल रनअवे यांच्यातील महत्त्वाचा दुवा म्हणजे तापमान अतिउष्णतेच्या बिंदूपर्यंत पोहोचणे. जेव्हा बाह्य शॉर्ट सर्किटमुळे निर्माण झालेली उष्णता योग्य प्रकारे बाहेर टाकली जात नाही, तेव्हा बॅटरीचे तापमान वाढते आणि हे उच्च तापमान थर्मल रनअवेला चालना देते. म्हणून, शॉर्ट-सर्किट प्रवाह बंद करणे किंवा अतिरिक्त उष्णता बाहेर टाकणे हे बाह्य शॉर्ट सर्किटमुळे होणारे पुढील नुकसान रोखण्याचे मार्ग आहेत. ओव्हरचार्जिंग, त्याच्या प्रचंड ऊर्जेमुळे, विद्युत गैरवापराच्या सर्वात मोठ्या धोक्यांपैकी एक आहे. उष्णता आणि वायूची निर्मिती ही ओव्हरचार्जिंग प्रक्रियेची दोन सामान्य वैशिष्ट्ये आहेत. उष्णतेची निर्मिती ओमिक उष्णता आणि उप-अभिक्रियांमुळे होते. सर्वप्रथम, अतिरिक्त लिथियम अंतर्भूत झाल्यामुळे ॲनोडच्या पृष्ठभागावर लिथियम डेंड्राइट्स वाढतात.