PAСерия технологий производства CK: анализ термического разгона аккумуляторной батареи и технология теплоизоляционных материалов
Яркий момент: суровое предупреждение о перегреве литиевых батарей и спасательный круг изоляционных материалов
В 2024 году завод по производству литиевых батарей в провинции Кёнгидо, Южная Корея, внезапно взорвался и загорелся, унеся жизни 23 рабочих всего за 15 секунд.
В 2025 году Xiaomi SU7 столкнулся во время движения на высокой скорости, трех человек внутри автомобиля спасти не удалось…
Будь то транспортные средства на новых источниках энергии, мчащиеся по дорогам, или электростанции, аккумулирующие энергию, поддерживающие переход к «зеленой» энергетике, пожары и взрывы, вызванные термическим выходом из строя литиевых аккумуляторных элементов, больше не являются изолированными новостями. За шокирующими данными скрывается серьезная проблема безопасности. Неполная статистика показывает, что в 2024 году более 30% пожаров на станциях хранения энергии в мире могут быть связаны с выходом из строя литиевых батарей. В сфере транспортных средств, работающих на новых источниках энергии, при возгорании аккумулятора уровень смертности среди пассажиров достигает ошеломляющих 70%!
Столкнувшись с такой высокочастотной угрозой безопасности с высоким уровнем смертности, создание эффективной системы защиты от термического разгона является чрезвычайно актуальным. Среди них изоляционные материалы аккумуляторных батарей играют решающую роль в качестве «защитников теплового барьера». Итак, как именно они сдерживают распространение тепла и выигрывают драгоценное время для спасения в случае катастрофы? Какие основные типы изоляционных материалов доступны в настоящее время, охраняя эту грань между жизнью и смертью?
I. Термический разгон и тепловой барьер
1. Возгорание литиевой батареи: быстрая высокая температура и цепная реакция.
Когда литиевая батарея загорается, ее характеристики различны: быстрое горение, интенсивное пламя, огромная разрушительная сила и чрезвычайная трудность тушения. Основная опасность заключается в процессе термического выхода клетки из-под контроля. Это не мгновенный взрыв, а скорее цепная реакция, включающая вздутие/выпучивание, выделение дыма, сильное возгорание и интенсивное горение. Этот процесс выделяет огромное количество тепла, пиковые температуры которого достигают ошеломляющих 450–600°C.
Что еще более опасно, так это то, что локализованные высокие температуры могут быстро вызвать цепное распространение тепла на соседние ячейки, что в конечном итоге приведет к возгоранию или даже взрыву.
Основные триггеры этой «цепной катастрофы» делятся на три категории:
Физический ущерб: разрушение внешней силой, например, столкновение, раздавливание или прокол.
Злоупотребление температурой: внешняя высокая температура или внутренний локальный перегрев.
Электрическое злоупотребление: перезарядка, чрезмерная разрядка или внешнее короткое замыкание.
2. Технология теплового барьера: «брандмауэр», сдерживающий распространение катастрофы
Основная задача технологии теплового барьера — эффективно перехватывать смертельный тепловой удар, высокотемпературный дым и излучение пламени, испускаемое вышедшей из-под контроля батареей, перекрывая путь передачи тепла к соседним элементам. Его ценность заключается в:
Ослабление разрушительной силы огня.
Выигрыш критического времени для тушения пожаров и спасательных операций.
Максимизация защиты безопасности персонала.
Текущая основная технологическая система защиты от термического разгона в основном включает три направления:
Интеллектуальный мониторинг и охлаждение: мониторинг состояния батареи в режиме реального времени, активный запуск мер охлаждения или пожаротушения в случае неисправности.
Структурная защита (физическая изоляция): создание изоляционного барьера (ключевые материалы) между ячейками, чтобы блокировать путь неконтролируемого распространения тепла.
Аварийное пожаротушение: быстрое внедрение эффективных мер пожаротушения (таких как погружение в воду, распыление перфторгексанона и т. д.) после возникновения температурного выхода из-под контроля.
В этой статье в первую очередь представлена технология проектирования защитной конструкции, которая блокирует передачу тепла, выделяемого тепловой ячейкой с выходом из-под контроля, на соседние ячейки, тем самым предотвращая цепную реакцию.
II. Основные типы термобарьерных материалов
В настоящее время широко используемые теплоизоляционные материалы для силовых батарей включают огнестойкую пену, аэрогелевые войлочные материалы, слюдяные пластины, керамизируемые композиты из силиконового каучука, огнестойкие заливочные компаунды и вакуумные изоляционные панели. Межэлементная изоляционная плата внутри аккумуляторного модуля представляет собой устройство тепловой защиты, расположенное между отдельными элементами, которое эффективно задерживает или блокирует распространение теплового прорыва от одного элемента ко всей аккумуляторной системе. Обычно он должен обладать следующими характеристиками:
1. Огнезащитная пена
Основные виды: Пенополиуретан (ПУ), пенопласт {[т6]}, силиконовая резина и др.
Обычно они изготавливаются из вышеупомянутых базовых материалов с помощью специальных процессов вспенивания. Они обеспечивают хорошие теплоизоляционные характеристики и отличную сжимаемость, что позволяет им полностью поглощать силы расширения, возникающие в результате клеточных циклов.
2. Войлочные материалы из аэрогеля
Аэрогели можно разделить на объемные, порошковые и пленочные. Их выдающиеся теплоизоляционные характеристики обусловлены пористой структурой.
Размер пор аэрогеля меньше длины свободного пробега молекул воздуха при атмосферном давлении, поэтому молекулы воздуха внутри пор почти неподвижны, что позволяет избежать конвективной передачи тепла от воздуха.
Аэрогель-войлок, изготовленный из аэрогеля SiO2 в качестве сердцевины в сочетании со стекловолокном или керамическим волокном, имеет коэффициент теплопроводности всего 0,013–0,025 Вт/м·К.
Аэрогель обеспечивает лучший изоляционный эффект на единицу объема, а также обеспечивает значительный эффект облегчения (аэрогель имеет чрезвычайно низкую плотность, являясь одним из самых легких известных твердых материалов, предлагая утончение и снижение веса в 3-8 раз по сравнению с традиционными изоляционными материалами).
Однако, хотя теплоизоляционные характеристики аэрогеля исключительны, его деформация при сжатии ограничена, а его буферная/поглощающая способность все еще недостаточна при работе с силами расширения, возникающими во время клеточных циклов. Поэтому его обычно используют вместе с амортизирующей пеной.
3. Слюдяная пластина
Основной состав: Композит, спрессованный из слюдяной бумаги (90%) и силиконового каучука (10%).
Характеристики:
Устойчивость к высоким температурам: температура непрерывного использования 500–850°C, периодическая до 1050°C.
Изоляция: Пробойная прочность ≥20 кВ/мм, объемное сопротивление >10¹⁴ Ом·см.
Механическая прочность: Прочность на изгиб >200 МПа, стойкость к химической коррозии.
Место применения: Между модулем и крышкой корпуса обычно используются пластины из слюды, чтобы предотвратить плавление высокотемпературного дыма, выходящего из вентиляционного отверстия после теплового выхода элемента из-под крышки, или повреждение структурных компонентов модуля.
4. Огнезащитный заливочный состав
Для цилиндрических ячеек PACKs, поскольку наибольшая поверхность ячейки имеет цилиндрическую форму, в качестве изоляционных материалов также обычно используются огнестойкие заливочные компаунды. Например, в силовом аккумуляторном блоке Tesla используются заливочные компаунды для заполнения зазоров между цилиндрическими батареями, что позволяет избежать теплопередачи между элементами, улучшить ударопрочность и повысить общую термическую и механическую стабильность аккумуляторного блока.
Основной состав: Основной материал, отвердитель, огнезащитные добавки, наполнители (для повышения прочности и износостойкости).
Характеристики:
Отличная огнестойкость: может достигать уровня UL94 V-0, при горении обугливается, выделяя кислород.
Хорошая электроизоляция: объемное сопротивление ≥1×10¹⁵ Ом·см, диэлектрическая прочность ≥20 кВ/мм.
Высокая прочность сцепления, хорошая ударопрочность, термостойкость.
