Kas yra terminis pabėgimas?

Terminis pabėgimas yra nekontroliuojamas, savaime{0}}kaitantis ličio-jonų akumuliatorių procesas, kurio metu vidinė temperatūra pakyla greičiau nei gali išsisklaidyti, sukeldama chemines reakcijas, kurios pavojingoje grįžtamojo ryšio kilpoje generuoja papildomą šilumą. Šis reiškinys gali sukelti akumuliatoriaus gaisrą, sprogimą ir nuodingų dujų išsiskyrimą.

Kaip šiluminis pabėgimas vystosi baterijų elementuose

Procesas prasideda, kai akumuliatoriaus elementas patiria stresą dėl vidinių gedimų ar išorinių veiksnių. Ličio{1}}jonų elemente vykstant elektrocheminėms reakcijoms įkrovimo ir iškrovimo metu paprastai susidaro nedidelis valdomos šilumos kiekis. Kai kas nors suardo šią pusiausvyrą-gamybos defektas, fizinė žala arba piktnaudžiavimas elektra-šilumos generavimas pagreitėja viršijant elemento aušinimo pajėgumą.

Temperatūros padidėjimas nuspėjamai progresuoja trimis kritiniais etapais. Pradinio savaiminio įkaitimo stadijoje temperatūra pakyla nuo maždaug 50 laipsnių iki 140 laipsnių, nes kietojo elektrolito tarpfazės (SEI) sluoksnis pradeda irti. Atskyriklis, plona membrana, laikanti anodą ir katodą atskirai, pradeda prarasti struktūrinį vientisumą.

Vidinei temperatūrai peržengus 140 laipsnių, pabėgimo etapas smarkiai pagreitėja. Atskyriklis išsilydo, leidžiant tiesiogiai kontaktuoti tarp elektrodų. Tai sukuria vidinius trumpuosius jungimus, dėl kurių šilumos generavimo greitis viršija 20 laipsnių per minutę. Katodinės medžiagos išskiria deguonį, o elektrolitas skyla, todėl susidaro degios dujos, įskaitant metaną ir etaną. Aukščiausia temperatūra gali viršyti 850 laipsnių -pakankamai karšta, kad aplinkinės medžiagos akimirksniu užsidegtų.

Galutinis nutraukimo etapas įvyksta, kai sunaudojami reagentai arba išleidus išleidžiamas slėgis. Iki to momento ląstelė paprastai suplyšo savo korpusą ir išmetė toksiškų dujų, metalo dalelių ir liepsnojančių šiukšlių mišinį. Vieno sugedusio elemento skleidžiama šiluma gali suaktyvinti gretimus elementus, todėl per kelias minutes šiluminis bėgimas pasklis per visą akumuliatorių.

Tyrimas, paskelbtas mMoksliniai pranešimai2025 m. dokumentuota, kaip 3 × 3 baterijų pakete esanti viena ląstelė visiškai sugedo per 5,4 minutės, o šilumos kaskada sunaikino visus devynis elementus tik per 6,16 minutės.

Pagrindinės priežastys ir paleidimo mechanizmai

Keli veiksniai gali sukelti šiluminį pabėgimą, dažnai veikiantys kartu, kad išstumtų akumuliatorių virš saugos slenksčio.

Vidiniai trumpieji jungimai

Gamybos defektai kelia klastingiausią riziką. Mikroskopiniai metaliniai teršalai, elektrodų nesutapimas arba separatoriaus trūkumai gali sukelti vidinius trumpuosius jungimus praėjus metams po pagaminimo. Kai akumuliatorius sensta per pasikartojančius įkrovimo ciklus, iš anodo išauga dendritai-spygliukai-kaip ličio nuosėdos-. Šios struktūros galiausiai perveria separatorių, sukurdamos tiesioginius elektros kelius tarp elektrodų.

2024 m. Li Auto buvo atšauktas 11 411 elektrinių transporto priemonių dėl netinkamos aušinimo skysčio apsaugos nuo korozijos, dėl kurios sugedo aušinimo sistema. Dėl susidariusių perkaitimo sąlygų atsirado šiluminio pabėgimo pavojus, todėl po gaisro Šanchajuje buvo nedelsiant imtasi veiksmų.

Piktnaudžiavimas elektra

Per didelis įkrovimas tebėra pagrindinė šiluminio bėgimo įvykių priežastis. Kai įkrovimo įtampa viršija didžiausią elemento slenkstį-paprastai apie 4,2 V standartiniams ličio-jonų elementams-ličio jonų plokštės perteklius ant anodo paviršiaus, užuot tinkamai įsiterpęs. Ši ličio danga tampa nestabili aukštesnėje temperatūroje.

Greitas įkrovimas padidina problemą. Spartus srovės srautas sukuria per didelę šilumą dėl vidinės varžos, ypač senesnėse arba susilpnėjusiose ląstelėse. Aviacijos saugos programų duomenys rodo, kad e-cigaretės ir nešiojamieji įkrovikliai-prietaisai, kurie dažnai buvo netinkamai įkraunami-, 2024 m. sudarė 51 % ličio-jonų baterijų incidentų orlaiviuose.

Mechaniniai pažeidimai

Fizinis poveikis kelia tiesioginį pavojų. Akumuliatoriaus numetimas, transporto priemonės susidūrimas ar pašalinių daiktų pradūrimas gali suspausti vidinius sluoksnius ir sulaužyti separatorių. Elektrinio dviračio avarijos kelia ypatingą pavojų, nes motociklininkai gali neatpažinti akumuliatoriaus sugadinimo dėl avarijų. 48 V e-dviračio ličio baterijoje yra daug sukauptos energijos-, maždaug tiek, kiek įkraunami 32 išmanieji telefonai-, kurie katastrofiškai išleidžiami, jei sugenda konstrukcija.

Šiluminis stresas

Išorinis šilumos poveikis pagreitina degradaciją. Ličio -jonų baterijos tampa pažeidžiamos šiluminės srovės virš 80 laipsnių (176 laipsnių F), nors tiksli riba skiriasi priklausomai nuo cheminės medžiagos. Įtaisų palikimas įkaitusiose transporto priemonėse, baterijų išdėstymas šalia šilumos šaltinių arba netinkamas aušinimo sistemos dizainas gali nustumti elementus link kritinių temperatūros intervalų.

Įspėjamieji ženklai ir ankstyvas aptikimas

Atpažinus išankstines{0}}pabėgimo sąlygas, galima įsikišti prieš katastrofišką nesėkmę.

Akumuliatoriaus valdymo sistemos stebi įtampos anomalijas, staigius talpos kritimus ir temperatūros šuolius. Šiuolaikinės sistemos seka atskirų elementų temperatūrą preciziniais jutikliais, atjungia maitinimą, kai rodmenys viršija saugius parametrus. Tačiau vien tik išorinės temperatūros stebėjimas rodo, kad nepakanka-vidinė temperatūra gali viršyti paviršiaus rodmenis 13–17 laipsnių normaliai veikiant.

Fiziniai indikatoriai pateikia matomus įspėjimus. Patinimas arba „pūtimas“ signalizuoja dujų susidarymą dėl vidinio skilimo. Bet kokia deformacija reiškia, kad cheminės reakcijos jau prasidėjo. Neįprasti kvapai, primenantys supuvusius kiaušinius ar saldžias chemines medžiagas, rodo elektrolitų skilimą ir išleidimą.

Veiklos pokyčiai rodo prastėjančią sveikatą. Greitas savaiminis-išsikrovimas, sutrumpėjęs veikimo laikas arba per didelis įkaitimas įkrovimo metu rodo vidinius pažeidimus. Įrenginiai, kuriuos reikia įkrauti dažniau nei įprastai, gali pažeisti elementus ir artėti prie gedimo slenksčio.

Dujų aptikimo technologija siūlo daug žadančias ankstyvojo įspėjimo galimybes. Terminis bėgimas išskiria išskirtines dujas -pirmiausia CO, CO2 ir vandenilį-, kol atsiranda liepsnos. Jutikliai, stebintys šias emisijas baterijų korpusuose, gali suaktyvinti įspėjimus likus kelioms minutėms iki matomų dūmų ar gaisro atsiradimo.

Realus-pasaulio poveikis ir statistika

Pritaikius ličio -jonų baterijas, išaugo karščio pabėgimo incidentų dažnis ir sunkumas.

Aviacijos saugos duomenys atskleidžia nerimą keliančias tendencijas. UL standartų ir įsitraukimo terminio pabėgimo incidentų programa stebėjo šiluminio pabėgimo įvykius keleivių ir krovinių skrydžiuose, pranešdama apie du incidentus per savaitę 2024 m., nors tai sudaro tik nedidelę dalį iš 180 000 kassavaitinių skrydžių JAV oro erdvėje, tačiau 18 % incidentų buvo priverstinai nukreiptais nusileidimais, evakuacijas arba grįžimą atgal.

E-dviračių ir e-paspirtukų gaisrai kelia saugumo iššūkius mieste. Niujorke užregistruota 13 mirčių nuo ličio-jonų baterijų gaisrų 2023 m.{10}}daugiau nei dvigubai daugiau nei ankstesniais metais. Gaisro tyrimo duomenys rodo, kad dauguma incidentų yra susiję su pigiais antrinės rinkos akumuliatoriais, kuriems trūksta tinkamų saugos sertifikatų. JK pranešė apie mažiausiai 10 žuvusiųjų ir beveik 200 gaisrų dėl e-dviračių baterijų 2023 m., todėl buvo sukurtos naujos įstatymų nustatytos saugos gairės.

Elektrinės transporto priemonės rodo paradoksaliai džiuginančią statistiką. Nepaisant žiniasklaidos dėmesio elektrinių transporto priemonių gaisrams, Švedijos civilinių nenumatytų atvejų agentūros duomenys, stebintys 611 000 elektromobilių, nustatė, kad incidentų lygis yra tik 0,004%, palyginti su 0,08% benzininių transporto priemonių atveju. Elektromobiliuose įvyksta maždaug 25 gaisrai 100 000 transporto priemonių, palyginti su 1 530 įprastų automobilių, todėl jie statistiškai saugesni 20–61 kartą.

Esminis skirtumas yra gamybos kokybė ir įmontuota{0}}apsauga. Automobilių gamintojai įdiegia plačias šilumos valdymo sistemas, atstumą tarp elementų ir sudėtingas akumuliatoriaus valdymo sistemas. Priešingai, dėl pigių-e-dviračių baterijų ir nešiojamosios elektronikos dažnai aukojamos saugos funkcijos, siekiant sumažinti kainas.

Prevencijos strategijos ir saugos sistemos

Norint išvengti šiluminio bėgimo, reikia daugiasluoksnės apsaugos, susijusios su projektavimu, veikimu ir priežiūra.

Pažangios baterijų valdymo sistemos

Šiuolaikinė BMS technologija suteikia pirmąją gynybos liniją. Šios sistemos nuolat stebi atskirų elementų įtampą, srovę, temperatūrą ir įkrovos būseną. Kai parametrai nukrypsta už saugaus diapazono ribų, BMS gali sumažinti įkrovimo greitį, atjungti maitinimą arba įjungti aušinimo sistemas.

Sveikatos būklės-būsenos-algoritmai numato galimus gedimus, analizuodami degradacijos modelius. Mašininio mokymosi modeliai, parengti naudojant tūkstančius įkrovimo ciklų, aptinka anomalijas, nematomas stebint slenksčiu{3}}. Kai kurios sistemos įvertina vidinę ląstelės temperatūrą naudodamos elektrocheminę varžos spektroskopiją, leidžiančią anksčiau įsikišti nei vien tik paviršiaus jutikliai.

Šilumos valdymo sistemos

Aktyvus aušinimas apsaugo nuo temperatūros padidėjimo atliekant sudėtingas operacijas. Skysčio aušinimo sistemos cirkuliuoja aušinimo skystį kanalais, integruotais į akumuliatorių blokus, palaikydamos optimalų temperatūros diapazoną net greito įkrovimo ar didelio{1}}galios iškrovimo metu. Fazių keitimo medžiagos sugeria šilumą per latentinę sintezės šilumą, suteikdamos pasyvų šiluminį buferį.

Tarpai tarp ląstelių ir šiluminės kliūtys riboja plitimą tarp ląstelių. Plečiančios medžiagos kaitinamos plečiasi, sudarydamos izoliacines putas, kurios sulėtina šilumos perdavimą. Kai kuriuose modeliuose yra šilumos kriauklių ir ventiliacijos kanalų, kurie nukreipia karštas dujas nuo gretimų elementų.

Medžiagų naujovės

Baterijos chemijos patobulinimai padidina būdingą stabilumą. Ličio geležies fosfato (LFP) katodai geriau atsparūs šiluminiam nutekėjimui nei nikelio -mangano-kobalto (NMC) junginiai, prieš suirdami atlaiko aukštesnę nei 200 laipsnių temperatūrą. Kietojo kūno{5}}baterijos, skystus elektrolitus pakeitusios kietomis medžiagomis, gali visiškai pašalinti degumą.

Separatorių technologija toliau tobulėja. Keraminiais -dengtais separatoriais išlaiko struktūrinį vientisumą aukštesnėje temperatūroje. Savaiminės-saugiosios dangos, užteptos ant elektrodų, susilieja į nepralaidžias plėveles 80 laipsnių kampu ir sustabdo jonų srautą milisekundėmis, kai prasideda perkaitimas.

Kokybės kontrolė ir standartai

Griežti gamybos procesai sumažina defektų skaičių. Automatizuotos tikrinimo sistemos aptinka užterštumą ir išlyginimo klaidas, nematomas žmonėms. Akumuliatorių paketai, atitinkantys UL 2271, UL 2849 arba lygiaverčius tarptautinius standartus, rodo atitiktį saugos bandymų protokolams.

Naudojant 48 V e-dviračių ličio akumuliatorių, UL sertifikatas tampa ypač svarbus, atsižvelgiant į didelius srovės reikalavimus ir šių sistemų patiriamą vibracijos poveikį. Prieš pirkdami naudotojai turėtų patikrinti sertifikavimo ženklus ir vengti nepažymėtų ar įtartinai nebrangių variantų.

Reagavimas į nelaimes ir izoliavimas

Kai prevencija nepavyksta, greitas reagavimas sumažina žalą.

Šiluminiams gaisrams reikia specialių gesinimo būdų. Vanduo išlieka veiksmingiausia priemonė, tačiau reikia didžiulio kiekio – 3000–40 000 galonų dideliems akumuliatorių paketams, palyginti su 500–1 000 galonų įprastų transporto priemonių gaisrams. Tikslas yra aušinti akumuliatorių žemiau šiluminės temperatūros, o ne tradiciniu gaisro gesinimo būdu, nes cheminės reakcijos sukuria savo deguonį.

Gaisro izoliavimo gaminiuose, skirtuose specialiai ličio{0}}jonų baterijoms, naudojamos besipučiančios medžiagos ir ventiliacijos sistemos. Šie prietaisai izoliuoja degančius įrenginius, surenka toksiškas dujas per filtravimą ir užtikrina saugų tvarkymą, kol baigsis reakcijos. Aviacijos taisyklės dabar reikalauja, kad orlaiviuose būtų įrengti priešgaisriniai maišai, skirti valdyti šiluminius pabėgimo įvykius 40 000 pėdų aukštyje, kai ventiliacijos ir evakuacijos galimybės yra ribotos.

Pirmieji gelbėtojai vis dažniau gauna specializuotus mokymus dėl ličio{0}}jonų gaisrų. Šiluminio vaizdo kameros aptinka karštus taškus, rodančius gresiančius elementų gedimus. Akumuliatoriaus-pradurimo purkštukai įpurškia vandenį tiesiai į pakuotės vidų, kur paviršius yra neveiksmingas. Nacionalinis kritusių ugniagesių fondas dabar į standartinę mokymo programą įtraukė EV gaisro taktiką, nes šie incidentai tampa vis dažnesni.

Statybos taisyklės prisitaiko prie saugojimo rizikos. Nauji reglamentai apibrėžia vėdinimo reikalavimus, ugniai{1}}atsparią konstrukciją ir slopinimo sistemos integravimą patalpose, kuriose yra didelės baterijos. Parkavimo konstrukcijose įrengiama patobulinta vandens tiekimo infrastruktūra, specialiai skirta akumuliatorių gaisro scenarijams.

Ateities pokyčiai ir tyrimų kryptys

Akumuliatorių pramonė daug investuoja, kad pašalintų šiluminio pabėgimo riziką.

Naujos-kartos kietojo kūno-baterijos žada permainingus saugos patobulinimus. Pakeitus degius skystus elektrolitus keraminėmis arba polimerinėmis kietomis medžiagomis, šios konstrukcijos pašalina pagrindinį kuro šaltinį šiluminiam bėgimui. Kietieji elektrolitai taip pat neleidžia susidaryti dendritui, sprendžiant pagrindinę vidinių trumpųjų jungimų priežastį.

Išankstinio įspėjimo sistemos naudoja dirbtinį intelektą ir jutiklių tinklus. Tyrėjai kuria algoritmus, analizuojančius subtilius įtampos ir temperatūros modelius, kurie prieš terminį bėgimą vyksta valandomis ar dienomis. Prie debesies-prijungtos akumuliatoriaus valdymo sistemos kaupia duomenis iš milijonų įrenginių, identifikuodamos gedimų parašus prieš atskiriems naudotojams atpažįstant problemas.

Šiluminė pabėgimo prevencija elektrodų lygyje yra perspektyvi. Savaime-gyjantys separatoriai pataiso mikroskopinius pradūrimus, kol jie nepatenka į visišką trumpąjį jungimą. Į temperatūrą-reaguojančios medžiagos automatiškai padidina elektrinę varžą, kai ląstelės perkaista, sukurdamos savaime-ribojantį grįžtamąjį ryšį, kuris sustabdo temperatūros kilimą.

Standartai ir taisyklės toliau tobulėja. 2025 m. priimtas JAV terminio pabėgimo mažinimo įstatymas įpareigoja ličio -jonų akumuliatorių smūgio bandymus, atsižvelgiant į transportavimo avarijų jėgas, ir riboja įkrovos būseną transportuojant antžeminiu būdu iki 30 proc. Panašūs Europoje ir Azijoje svarstomi teisės aktai suderins tarptautinius saugos reikalavimus.

Dažnai užduodami klausimai

Kokioje temperatūroje prasideda terminis bėgimas?

Terminis bėgimas paprastai prasideda nuo 80 iki 90 laipsnių, kai SEI sluoksnis pradeda irti, nors ląstelės išlieka gana stabilios, kol temperatūra viršija 140 laipsnių. Tiksli riba skiriasi priklausomai nuo akumuliatoriaus chemijos ir konstrukcijos.

Ar galima sustabdyti terminį bėgimą jam prasidėjus?

Ne. Prasidėjus savaime-palaikančiai grandininei reakcijai, šiluminis bėgimas negali būti sustabdytas išoriniu įsikišimu. Procesas tęsiasi tol, kol sunaudojamos visos reaktyvios medžiagos. Prevencija ir ankstyvas aptikimas išlieka vienintelėmis veiksmingomis strategijomis.

Kiek laiko užtrunka šiluminis pabėgimas?

Laiko juosta labai skiriasi priklausomai nuo paleidimo sąlygų. Greiti įvykiai, pvz., prasiskverbimas į nagą, sukelia terminį pabėgimą per kelias sekundes ar minutes. Laipsniškas gedimas dėl senėjimo arba lėtas perkrovimas gali užtrukti valandas ar dienas iki kritinio gedimo.

Ar tam tikros baterijų cheminės medžiagos yra saugesnės nei kitos?

Taip. LFP (ličio geležies fosfato) baterijos pasižymi geresniu terminiu stabilumu, palyginti su NMC (nikelio-mangano-kobalto) formulėmis, todėl norint pradėti paleisti, reikia aukštesnės temperatūros. LFP katodai iš prigimties yra stabilesni, kai jie visiškai įkrauti.

Praktinės saugos rekomendacijos

Akumuliatoriaus saugai reikia skirti dėmesio per visą naudojimo ciklą.

Pirkite tik sertifikuotas baterijas, turinčias UL arba lygiaverčius bandymų ženklus iš patikimų gamintojų. Naudojant tokias programas kaip 48 V e-dviračių sistemos, vengiant pigaus importo, labai sumažėja šiluminio pabėgimo rizika. Atkreipkite dėmesį į apžvalgas, kuriose minimas perkaitimas, patinimas ar patikimumo problemos.

Laikykite baterijas kontroliuojamoje temperatūroje- nuo 40 iki 70 laipsnių F (5–20 laipsnių) su maždaug 50 % įkrovimu ilgesnį saugojimo laikotarpį. Laikykite baterijas toliau nuo degių medžiagų ir pasirūpinkite tinkama ventiliacija. Niekada neužblokuokite išėjimų įkrovimo įrenginiais.

Reguliariai tikrinkite baterijas, ar nėra fizinių pažeidimų, patinimų ar neįprastos šilumos. Nedelsdami pakeiskite bet kokį akumuliatorių, kuriame matoma deformacija,{1}}nebandykite įkrauti pažeistų elementų. Po avarijos ar nukritimo pasirūpinkite, kad e-dviračio akumuliatoriai būtų profesionaliai įvertinti, net jei jie atrodo nepažeisti.

Naudokite tik gamintojo{0}}nurodytus įkroviklius, skirtus jūsų akumuliatoriaus tipui. Nepalikite baterijų įkrauti per naktį arba be priežiūros. Stebėkite, ar įkrovimo įrenginiuose nėra per didelio karščio, ir atjunkite juos, jei jaučiatės neįprastai aukšta temperatūra.

Terminis pabėgimas yra valdoma rizika, kai vartotojai derina kokybiškus produktus su informuota praktika. Tobulėjant akumuliatorių technologijai ir tobulėjant saugos sistemoms, atotrūkis tarp ličio-jonų pranašumų ir susijusių pavojų ir toliau mažėja.

Raitininkams, naudojantiems a48v ebike ličio baterija, teikiant pirmenybę sertifikuotiems gaminiams su tinkamu šilumos valdymu, užtikrinamas saugesnis ir patikimesnis veikimas.

Šaltiniai:

UL tyrimų institutai - What Is Thermal Runaway (ul.org)

Mokslinės ataskaitos - Išankstinio įspėjimo metodas, skirtas įkrauti šiluminį bėgimą (nature.com)

Li automatinio atšaukimo ataskaita - Kinijos SAMR (carnewschina.com)

UL standartai ir įsipareigojimas - Lithium-Aviaciniai incidentai naudojant ličio jonų baterijas: 2024 m. duomenų apžvalga (ulse.org)

JK vyriausybė - Įstatyminės gairės dėl ličio-jonų akumuliatorių saugos e-dviračiams (gov.uk)

EV Fires vs ICE Fires duomenų analizė (eenergyhub.com)

Energijos šaltinių žurnalas - Šiluminio išbėgimo charakteristikų tyrimas (sciencedirect.com)

Energetinių medžiagų pažanga - Kritinė terminio pabėgimo prognozavimo metodų apžvalga (spj.science.org)

Vidinių nuorodų galimybės:

Ličio{0}}jonų akumuliatoriaus technologijos pagrindai

Baterijų valdymo sistemos (BMS) pagrindai

Elektromobilių saugos sistemos

E-dviračio akumuliatoriaus priežiūros vadovas

Ličio baterijų priešgaisrinės saugos protokolai