随需应变的爆炸正在帮助建立更好的电池

新设备允许研究人员进行锂离子电池(锂)失败的需求,这是一个让他们更安全的关键一步。

现代生活依靠锂离子电池,它被发现在各种各样的消费电子产品以及混合动力和电动汽车。我们要求越来越多,它们存储的能量,他们补给的速度,我们期望他们的工作条件。然而在某些电、热或机械条件下,活性材料在锂离子电池可以分解exothermically,产生大量的热量,会导致积极的反馈回路称为热失控。而这些失败是罕见的,细胞结合成电池,一个细胞的失败会导致热失控的细胞间传播,导致火灾,甚至爆炸。

可以理解的是,这些灾难性的电池故障使新闻。例如,波音787 Dreamliner飞机接地由美国联邦航空管理局在2013年,经过两个电池事件。更新电池系统提供更好的密封电池火灾让飞机重返天空三个月后。

三星星系注意7手机停止生产在2016年10月,之后电池从两个不同的批次(和供应商)着火了。今年早些时候,亚马逊回忆六个版本的AmazonBasics便携式锂离子电池充电器/电源银行50多个事件后单位过热,导致化学烧伤和财产损失。

值得庆幸的是,在电池热失控的罕见在正常情况下,但是电池需要被设计成尽可能安全。一个因素阻碍设计师是一个有限的理解电池内部发生了什么,当他们失败。

18650年的细胞

的一个最广泛使用的锂离子电池有一个圆柱几何与直径18毫米和65毫米的长度;18650个细胞甚至被用于空间。这些细胞被设计许多安全功能,以防止热失控或减少其影响。安全功能包括减压通风口,当前中断设备(cid)和正温度系数(PTC)开关。细胞外部设备,如电池管理系统(bms)和温度控制也被用来防止出现危险状况。然而,这些特性不能阻止内部短路(isc),它可以来自制造缺陷很难被检测到。

调查发生了什么当电池失败是非常具有挑战性的,部分是由于热失控的开始的不可预知性,和快速变化的原因。

ISC设备

需要一个可靠的测试方法,复制行为的一个真正的商业单元设计接受的ISC领导埃里克·达西美国国家航空航天局和马太福音的大尺度国家可再生能源实验室(NREL)开发一种设备来产生两个导电层之间的短路。的ISC设备是一个金属“冰球”包裹在电极之间的低熔点蜡,从而能够激活一个ISC点播和在细胞内的一个预先确定的位置,重新创建“最坏”失败的场景。

保罗剪切教授和他的团队伦敦大学学院化学工程NREL一直与NASA合作,英国的国家物理实验室(不良贷款),钻石光源(DLS)和欧洲同步辐射中心(ESRF)调查电池失败,一个任务,需要使用多尺度、多速成像技术观察热失控ISC测试期间。

使用ISC设备意味着研究人员知道的位置短路会发生,但这只是第一阶段捕获热失控的萌生和扩展。时间分辨率高于每秒1000图像需要捕获足够的细节来描述动态故障机制,如热失控所传播在18650个细胞在几分之一秒。细胞破裂可能发生在0.01秒,要求一个更高的时间分辨率和成像速度。如果你想看到在一个电池,因为它失败,您需要使用x射线源与一个极高的光子通量——同步。

剪切教授和他的团队使用了英国国家同步(DLS)和ESRF在格勒诺布尔。这些领先的接近同步加速器可以让研究者去执行更复杂的实验,涉及极端条件下与电池相关的失败。剪切教授解释说,“我们最初开发这些技术先进的质子源在美国。英国国家同步加速器在门口,和欧洲同步加速器辐射设施在格勒诺布尔,已经完全改变了我们的工作方式。我们可以做更复杂的实验现在我们不需要船到美国的一切。”

高速同步成像技术

团队使用高速同步x射线计算机断层扫描(CT)和放射学,结合热成像,跟踪内部结构损伤和热行为的进化在起始和传播18650年的热失控的细胞。这种新方法提供无与伦比的见解的结构和热动力学与商业锂离子电池热失控和失败。

x射线CT诊断电池失效机制是一种有效的工具死后和迅速发展的功能使它可以捕获失败事件和退化机制跨多个长度尺度和在非常短的时间。它提供了电池的高分辨率的3 d图像。

高速摄影允许团队识别和描述的机制,导致最灾难性的故障类型,破裂,爆炸事件进展太快,被高速断层。这两种技术的结合提供了一个强大的工具,用于连接外部风险和内部在热失控现象。

在DLS,研究人员能够利用beamlines(实验台)与不同的功能优化。使用高速的射线成像能力I12 beamline图像允许他们失败的成核内工作电池,看看在非常高的速度如何,失败可以通过单个细胞传播,从一个细胞到另一个地方。他们能够看到失败的确切机制,以及它如何开始蔓延,并设计系统以防止扩散的失败。

相邻光束线的高空间分辨率,I13,允许他们调查的微观结构电池电极和探索如何随时间的变化和电荷的循环次数。进行高分辨率衍射研究I11允许他们看到非常小的变化的晶体学电极作为电池的电荷状态的函数。这些可以与电极的变化形态,提供一个签名的电池退化。I11也是独特的长时间的实验(LDE)能力,允许将电极监测在几周和几个月,探索关键问题在电池寿命。

使用同步加速器x射线的研究中,研究小组能够描述四种类型的失败:弹射的内容控制,细胞破裂,穿刺的按钮,逃避内部芯棒。他们抓住即将细胞破裂以前所未有的细节,并表明,破裂过程发生在不同的阶段,但可以预防的第二个发泄底部的细胞。包含基本通风改善安全管理在热失控的快速生成气体,并极大地降低了细胞破裂的风险。加上一种改进的理解电池电极形态和结晶学,团队获得新的见解的性能和安全设备。能够在不同长度尺度研究电池,从原子到系统,提供了丰富的信息,会通知的设计新一代锂离子电池。