Wat is thermische bescherming?
Thermische bescherming is de manier waarop een lithium{0}}ioncel zichzelf ervan weerhoudt vlam te vatten. Elke 18650 die je ooit hebt gebruikt, heeft meerdere veiligheidsvoorzieningen in dat kleine dopje gepropt-PTC, CID, ontluchtingsschijf, alles werkt. Ze zijn daar omdat de lithium-ionenchemie een hoop energie in een kleine ruimte opslaat, en die energie zal een uitweg vinden als er intern iets misgaat.
Ik zit lang genoeg in deze branche om me te herinneren dat 'thermal runaway' geen alledaagse term was. Toen kwamen de terugroepacties van Dell-laptops in 2006. Sony trok miljoenen cellen weg. Opeens wilde iedereen weten wat er gebeurt als een lithium-ioncel defect raakt, en nog belangrijker, hoe je dit kunt stoppen.
Thermal Runaway versus oververhitting
Mensen halen dit voortdurend door elkaar. Van oververhitting is sprake als een cel heet wordt door externe oorzaken.-Je hebt hem in een hete auto laten liggen, de oplader heeft een storing gehad, wat dan ook. Verwijder de warmtebron en de cel koelt af. Probleem opgelost.
Thermal runaway is een heel ander beest. Er gaat iets mis in de cel-misschien raakt de afscheider lek, misschien veroorzaakt een fabricagefout een zachte kortsluiting-en begint de cel zijn eigen warmte te genereren. Die warmte versnelt de chemische afbraak, waardoor er meer warmte ontstaat, waardoor de afbraak nog verder wordt versneld. Het is een feedbacklus. Tegen de tijd dat je het merkt, is het al te laat om te stoppen.
De cel geeft uiteindelijk heet gas en vlammen af, soms met geweld. In een batterijpakket kan één cel die op hol slaat, zijn buren koken en een kettingreactie veroorzaken. Daarom bestaat er thermische beveiliging.
De beschermingsstapel
Open een cilindrische cel en kijk naar de bovenste dop. Je vindt er verschillende apparaten op elkaar gestapeld, elk ontworpen om problemen in verschillende stadia op te vangen.
PTC
Het PTC-apparaat (positieve temperatuurcoëfficiënt) is uw eerste lijn. Het is eigenlijk een polymeerwafel geladen met geleidende deeltjes. Normale temperaturen, lage weerstand, stroom vloeit prima. Als het boven de 80 graden komt, zwelt het polymeer op, de deeltjes scheiden zich af en de weerstand gaat door het dak. De stroom daalt tot bijna niets.
Wat ik leuk vind aan PTC's is dat ze worden gereset. Laat de cel afkoelen en hij werkt weer. Goed voor het opvangen van externe kortsluitingen die snel verdwijnen.
Wat ik niet leuk vind, is hoe ze zich gedragen in seriereeksen. We hebben dit op de harde manier geleerd tijdens het testen van pakketten een paar jaar geleden. De PTC van één cel schakelde uit, maar met een 48V-string erachter liep de spanning gewoon over. De bescherming die uitstekend werkt op celniveau, schaalt niet altijd op op pakketniveau.
Afscheider uitschakelen
De separator is dat dunne membraan dat je elektroden uit elkaar houdt en lithiumionen doorlaat. In een shutdown-separator wordt het materiaal ongeveer 130 graden zachter en sluiten de poriën zich af. Geen ionentransport, geen elektrochemische reactie, geen stroom.
De meerlaagse ontwerpen-PE-binnenlaag, PP-buitenlaag-geven u wat extra marge. De PE sluit de ionenstroom af, terwijl de PP alles wat langer mechanisch gescheiden houdt. Het heeft ons misschien 10-15 extra seconden opgeleverd bij misbruiktests voordat er interne kortsluiting ontstond.
Eén ding om te onthouden: scheidingstekens komen niet terug. Als een cel heet genoeg wordt om uitschakeling te activeren, is die cel klaar. Vervang het.
CID
Het huidige onderbrekingsapparaat reageert op druk, niet op temperatuur. Wanneer dingen binnenin beginnen te ontbinden, genereren ze gas. De CID bestaat uit twee dunne schijven-die aan elkaar zijn gelast en uit elkaar springen als de interne druk hoog genoeg wordt-ergens rond de 1 MPa, afhankelijk van het ontwerp.
Dit is een permanente ontkoppeling. Tegen de tijd dat een cel zoveel gas genereert, is deze al onbruikbaar beschadigd. Je wilt het uit het circuit hebben.
Ontluchten
Laatste redmiddel. Als de druk blijft toenemen voorbij de CID-activering, scheurt de ontluchtingsschijf en laten de gassen ontsnappen. Het spul dat eruit komt is brandbaar en giftig, maar gecontroleerd ventileren verslaat een ongecontroleerde breuk. We hebben allemaal video's gezien waarin cellen als vuurwerk afgaan-dat is wat er gebeurt zonder goede ventilatie.
De BMS-laag
Beveiliging op cel-niveau verwerkt snelle fouten. Het batterijbeheersysteem zorgt voor al het andere-het monitoren van de accutemperaturen, het beperken van de laadsnelheid als de temperatuur stijgt, en het ontkoppelen van contactors als de sensormetingen buiten bereik komen.
De twee systemen vullen elkaar aan. BMS vangt de zich langzaam-ontwikkelende problemen op die goed thermisch beheer kan voorkomen. Apparaten op cel-niveau vangen de snelle interne storingen op die oppervlaktesensoren niet op tijd kunnen detecteren.
Chemie maakt een verschil
Niet alle lithium-ionen zijn hetzelfde als het gaat om thermische stabiliteit. Jullie op kobalt-gebaseerde chemie-LCO, NMC-hebben een grote energiedichtheid, maar zijn thermisch gevoelig. De kobalt-zuurstofbinding wordt afgebroken bij hogere temperaturen en er komt zuurstof vrij die de reactie voedt.
LFP is vergevingsgezinder. De ijzer-fosfaatstructuur blijft beter bij elkaar onder thermische spanning. Er is meer ruimte tussen normaal gebruik en de gevarenzone. Dezelfde beveiligingsapparaten, maar ze werken niet zo dicht bij de rand.
Dit is een groot deel van de reden waarom LFP de material handling heeft overgenomen. Heftrucks leiden een zwaar leven-snel opladen, temperatuurschommelingen, af en toe misbruik. Je wilt een chemie die het aankan. Precies om deze reden zijn alle Polinovel Packs gebouwd met LFP-cellen.
