Apakah Bahan Kalis Api?
Saya mendapat panggilan bulan lepas daripada pemasang pek di Ohio. Pelanggannya ingin tahu mengapa insurans gudang mereka meningkat 40% selepas mereka mula menyimpan sel litium. Penaja jamin itu menyebut pelarian haba. Penghimpun bertanya kepada saya apa yang dia boleh beritahu mereka tentang keselamatan elektrolit. Saya memberitahunya perkara yang sama saya memberitahu semua orang. Pelarut karbonat dalam sel anda akan terbakar. Persoalannya ialah apa yang anda lakukan mengenainya.
Elektrolit membentuk mungkin 10-15% daripada berat sel. Etilena karbonat, dimetil karbonat, etil metil karbonat. Ini adalah kuda kerja. Mereka melarutkan garam litium dengan baik. Mereka membiarkan ion bergerak pantas. Mereka juga mempunyai titik kilat dalam julat 30-40 darjah. Sel kantung yang tertusuk boleh mencapai 200 darjah secara dalaman dalam masa kurang dari satu minit. Matematik tidak rumit.
Sebatian fosforus muncul dalam elektrolit bateri sekitar tahun 2003. Trimetil fosfat adalah yang pertama orang mencuba dengan serius. Ia berfungsi dengan melepaskan radikal PO apabila ia menjadi panas. Radikal tersebut mengambil hidrogen dari bahagian depan nyalaan dan mematikan tindak balas rantai pembakaran. Anda boleh mengurangkan masa pemadaman sendiri-dari 50+ saat setiap gram kepada satu digit. Tradeoff adalah kelikatan. Fosfat memekatkan elektrolit. Kekonduksian ion menurun. Anda kehilangan keupayaan kadar.
Untuk syarikat penyumberan sel, bertanya kepada andapengeluar pek bateri litiumtentang formulasi elektrolit sepatutnya menjadi amalan standard sekarang. Landskap telah berubah sejak 2020. Pembuat sel China kini menghantar produk dengan campuran ester-fosfat yang mencapai spesifikasi api yang sama seperti sel Jepun dijual dua kali ganda harga lima tahun lalu. Zhangjiagang Guotai-Huarong membekalkan elektrolit kepada beberapa pengeluar sel utama. Peningkatan keselamatan telah bergerak ke hilir.
Sebatian terfluorinasi datang kemudian. Hidrofluoroeter. Karbonat terfluorinasi seperti FEC dan FEMC. Atom fluorin pada tulang belakang molekul mengganggu pembiakan radikal secara berbeza daripada fosforus. Hasilnya bagus. Kosnya tidak. Bahan terfluorinasi masih berfungsi 3-5x ganda daripada yang anda bayar untuk karbonat standard. Saya tahu lelaki yang menyatakan mereka pada 5-10% hanya untuk mencapai ambang keselamatan tanpa memusnahkan bil bahan mereka.
Cecair ionik mendapat banyak tekanan sekitar tahun 2015-2018. Tekanan wap hampir sifar. Tidak akan menyala di bawah sebarang senario penderaan biasa. Saya melawat makmal di Münster yang telah mengusahakannya selama enam tahun. Penyelidik menunjukkan kepada saya sel-sel yang bertahan 200 darjah pemanasan luaran tanpa pembuangan. Dia juga memberitahu saya mereka membayar €85/kg untuk cecair ionik. Kos campuran EC/DMC komersial di bawah €4/kg. Ekonomi membunuhnya untuk automotif. Sesetengah aplikasi aeroangkasa boleh menyerap kos tersebut. Kebanyakan tidak boleh.
Elektrolit polimer gel mengambil pendekatan yang berbeza. Anda memerangkap fasa cecair dalam matriks polimer. PVDF-HFP adalah perkara biasa. Sesetengah kumpulan membina fosforus terus ke dalam tulang belakang polimer. Retardansi nyalaan menjadi struktur. Penyelidik di Universiti Qingdao menerbitkan kerja tahun lepas mengenai sistem polimida dengan rantai sisi fosfazena. Masa pemadaman sendiri-di bawah 5 saat. Kekuatan mekanikal cukup tinggi untuk melambatkan pertumbuhan dendrit. Cabarannya ialah pembuatan. Gulung-ke-salutan gel elektrolit tidak matang seperti isi cecair.
Semasa menilai apembekal bateri litium tersuaiuntuk aplikasi industri, tanya soalan khusus tentang keselamatan. Apakah SET formulasi elektrolit anda? Apakah kepekatan bahan tambahan kalis api yang anda gunakan? Bolehkah anda menyediakan data kalorimetri kon? Sesetengah pembuat sel akan berkongsi maklumat ini. Yang lain menganggapnya sebagai proprietari. Jenama premium biasanya menggunakan 12-18% bahan tambahan berasaskan fosfat mengikut berat dalam sel automotif standard mereka.
Industri menguji kalis api beberapa cara. Masa pemadaman sendiri-adalah masa yang cepat. Anda menyalakan sampel dan masa berapa lama ia terbakar selepas mengeluarkan sumber pencucuhan. Mengehadkan indeks oksigen memberitahu anda kepekatan O2 minimum yang diperlukan untuk mengekalkan pembakaran. UL 2054 dan IEC 62133 menetapkan kriteria lulus/gagal untuk sel siap. GB 38031-2020 China memerlukan masa amaran selama 5 minit sebelum perambatan haba mencapai sel bersebelahan dalam satu pek. Untuk memenuhi spesifikasi itu selalunya memerlukan elektrolit kalis api.
Penarikan balik mendorong isu ini ke hadapan. GM menarik balik 140,000 Bolt EV bermula pada 2021. Hyundai memanggil semula Kona Electrics. Ford menangguhkan pengeluaran Lightning. Punca punca berbeza-beza. Ada yang mengalami kecacatan pembuatan. Beberapa adalah isu reka bentuk sel. Kesemua mereka membuat jabatan pembelian OEM bertanya soalan yang lebih sukar. mana-manarakan kongsi OEM bateri litiumcuba untuk mendapatkan kelayakan untuk automotif kini menghadapi lebih banyak penelitian mengenai dokumentasi keselamatan terma berbanding yang mereka lakukan pada 2019.
Kos bahan menambah sehingga wang sebenar pada skala. Pek automotif 60 kWj mengandungi kira-kira 40-50 kg elektrolit bergantung pada format sel dan pemuatan. Menambah 15% kalis api pada kos tambahan $15/kg bermakna $90-110 setiap pek. Kos peringkat sel telah menurun di bawah $100/kWj untuk sel prismatik LFP termurah dari China. Kalis api itu mewakili kira-kira 1.5% daripada kos sel. Pasukan perolehan berhujah tentang sen setiap kWj. Ini bukan sen.
Bagi syarikat yang membina hubungan dengan apembekal pemasangan modul bateri litium, spesifikasi elektrolit sering diabaikan dalam perbincangan awal. Orang ramai menumpukan pada kapasiti, hayat kitaran, kadar C-. Kerencatan api muncul kemudian, biasanya apabila pelanggan akhir meminta dokumentasi keselamatan. Pada masa itu reka bentuk sel dikunci. Memperbaiki semula formulasi elektrolit yang berbeza boleh mengubah impedans, kapasiti dan ciri-ciri penuaan. Lebih baik untuk menyatakan terlebih dahulu.
Saluran paip penyelidikan mempunyai kerja yang menarik di dalamnya. Elektrolit berkepekatan tinggi-tersetempat menggunakan pelarut fosfat yang dicairkan dengan-eter berfluorinasi tidak mudah terbakar. Anda mendapat kalis api fosfat dengan kelikatan dan kekonduksian karbonat tradisional. Argonne telah menerbitkan mengenai ini. Beberapa kumpulan universiti di China sedang mengusahakan variasi. Ketersediaan komersial mungkin 2-3 tahun untuk gred automotif.
Sel keadaan pepejal-akan menyelesaikan masalah mudah terbakar sepenuhnya. Elektrolit seramik dan sulfida tidak terbakar. Mereka juga belum wujud pada skala pengeluaran automotif lagi. CATL, Samsung SDI, Toyota dan QuantumScape semuanya telah menolak-garis masa keadaan pepejal mereka sebanyak 2-4 tahun dalam pengumuman baru-baru ini. mana-manapembekal penyelesaian keselamatan bateri litiumakan memberitahu anda bahawa elektrolit cecair kalis api kekal sebagai jawapan praktikal melalui sekurang-kurangnya 2028 untuk kebanyakan aplikasi.
Saya menghabiskan lima belas tahun menangani masalah ini dalam peranan yang berbeza. Teknologi telah bertambah baik. Kos telah menurun. Kebakaran sel masih berlaku. Ia berlaku kurang kerap berbanding sepuluh tahun yang lalu, dan sel hari ini menyimpan lebih banyak tenaga daripada sel ketika itu. Industri bergerak ke arah yang betul. Ada lagi kerja nak buat.
