Tło

Rozprzestrzenianie się ciepła modułu przebiega w następujących etapach: akumulacja ciepła po nadużyciu termicznym ogniwa, niekontrolowana niestabilność cieplna ogniwa, a następnie niekontrolowana niestabilność cieplna modułu. Ucieczka termiczna z pojedynczej komórki nie ma wpływu; jednakże, gdy ciepło rozprzestrzeni się na inne ogniwa, propagacja spowoduje efekt domina, prowadzący do ucieczki termicznej całego modułu, uwalniając ogromną energię. Rysunek 1pokazywaćjest wynikiem testu niestabilności termicznej. Moduł zapala się z powodu nieodpartej propagacji.

Przewodność cieplna wewnątrz ogniwa będzie różna w zależności od różnych kierunków. Współczynnik przewodności cieplnej będzie wyższy w kierunkurównoległyz rdzeniem walcowym ogniwa; podczas gdy kierunek pionowy do rdzenia walca ma niższą przewodność. Dlatego rozprzestrzenianie się ciepła z boku na bok między komórkami jest szybsze niż w przypadku zakładek do komórek. Dlatego propagację można postrzegać jako propagację jednowymiarową. Ponieważ moduły akumulatorów są projektowane pod kątem większej gęstości energii, przestrzeń między ogniwami staje się coraz mniejsza, co pogarsza propagację ciepła. Dlatego tłumienie lub blokowanie rozprzestrzeniania się ciepła w module będzie uważane zaefektskuteczny sposób na zmniejszenie zagrożeń. 

Sposób na stłumienie ucieczki termicznej w module

Możemy aktywnie lub pasywnie powstrzymać ucieczkę termiczną.

Aktywne tłumienie

Aktywne tłumienie rozprzestrzeniania się ciepła opiera się głównie na systemie zarządzania ciepłem, takim jak:

1) Umieścić rury chłodzące na spodzie lub po wewnętrznej stronie modułu i napełnić je cieczą chłodzącą. Przepływ cieczy chłodzącej może skutecznie zmniejszyć propagację.

2) Zamontuj rury gaśnicze na górze modułu. W przypadku niekontrolowanej reakcji termicznej gaz o wysokiej temperaturze uwolniony z akumulatora spowoduje wytryśnięcie z rur środka gaśniczego w celu powstrzymania rozprzestrzeniania się.

Jednakże zarządzanie ciepłem wymaga dodatkowych komponentów, co prowadzi do wyższych kosztów i niższej gęstości energii. Istnieje również możliwość, że system zarządzania nie zadziała.

Pasywne tłumienie

Tłumienie pasywne polega na blokowaniu propagacji przez materiał adiabatyczny pomiędzy komórkami uciekającymi termicznie a komórkami normalnymi.

Zwykle materiał powinien występować w:

1. Niska przewodność cieplna. Ma to na celu zmniejszenie prędkości rozprzestrzeniania się ciepła.
2. Odporność na wysoką temperaturę. Materiał nie powinien rozdzielać się pod wpływem wysokiej temperatury i tracić odporność termiczną.
3. Niska gęstość. Ma to na celu zmniejszenie wpływu szybkości objętościowo-energetycznej i masowo-energetycznej.

Idealny materiał może jednocześnie blokować rozprzestrzenianie się ciepła, a także je pochłaniać.

Analiza materiału

• Aerożel

Aerożel nazywany jest „najlżejszym materiałem termoizolacyjnym”. Jest dobrze wykonany w izolacji cieplnej i waży lekko. Jest szeroko stosowany w module akumulatorowym do ochrony przed propagacją ciepła. Istnieje wiele rodzajów aerożeli, takich jak aerożel z dwutlenkiem krzemu, aerożel, aerożel z włókna szklanego i włókno wstępnie utlenione. Warstwa termoizolacyjna aerożelu z różnych materiałów ma różny wpływ na ucieczkę ciepła. Dzieje się tak ze względu na różnorodność współczynnika przewodzenia ciepła, który jest silnie powiązany z jego mikrostrukturą. Rysunek 2 przedstawia wygląd SEM różnych materiałów przed i po spaleniu.

Badania pokazują, że chociaż izolacja cieplna z włókien jest tańsza, skuteczność blokowania rozprzestrzeniania się ciepła jest gorsza niż w przypadku materiału aerożelowego. Spośród różnych rodzajów materiałów aerożelowych, aerożel z wstępnie utlenionych włókien sprawdza się najlepiej, ponieważ zachowuje strukturę po spaleniu. Aerożel z włókna ceramicznego sprawdza się również dobrze w izolacji cieplnej.

• Materiał o przemianie fazowej

Materiał o przemianie fazowej jest również szeroko stosowany do tłumienia niekontrolowanej propagacji ciepła ze względu na gromadzenie ciepła. Wosk jest powszechnym PCM o stabilnej temperaturze zmiany fazowej. Podczas termicznejzbieg, ciepło jest uwalniane masowo. Dlatego PCM powinien mieć wysokiwydajnośćpochłaniania ciepła. Jednak wosk ma niską przewodność cieplną, co będzie miało wpływ na pochłanianie ciepła. Aby poprawić jego działanie, badacze próbują łączyć wosk z innymi materiałami, na przykład dodając cząstki metalu, używając metalowej pianki do ładowania PCM, dodającgrafit, nanorurka węglowa lub grafit ekspandowany itp. Grafit ekspandowany może również powstrzymać płomień spowodowany niekontrolowaną temperaturą.

Polimer hydrofilowy jest również rodzajem PCM do utwierdzania termicznego pasa startowego. Typowymi hydrofilowymi materiałami polimerowymi są: koloidalny dwutlenek krzemu, nasycony roztwór chlorku wapnia,Fosforan tetraetylu, tetrawodorofosforan fenylu, Spoliakrylan odiumitp.

•  Materiał hybrydowy

Ucieczki termicznej nie da się powstrzymać, jeśli zdamy się wyłącznie na aerożel. Aby pomyślnieizolowaćciepła, musimy połączyć aerożel z PCM.

Oprócz materiału hybrydowego możemy skonstruować również materiał wielowarstwowy o różnych współczynnikach przewodzenia ciepła w różnych kierunkach. Możemy użyć materiału o wysokiej przewodności cieplnej, aby odprowadzić ciepło z modułu i umieścić materiał termoizolacyjny pomiędzy ogniwami, aby ograniczyć rozprzestrzenianie się ciepła.

Wniosek

Kontrolowanie niekontrolowanej propagacji ciepła jest skomplikowanym tematem. Niektórzy producenci wprowadzili pewne rozwiązania mające na celu ograniczenie rozprzestrzeniania się ciepła, jednak wciąż szukają czegoś nowego, aby obniżyć koszty i wpływ na gęstość energii. Wciąż skupiamy się na najnowszych badaniach. Nie ma„super materiał” które mogą całkowicie zablokować ucieczkę termiczną. Aby znaleźć najlepsze rozwiązania, potrzeba wielu eksperymentów.