ساختار الکترولیت و ریسکهای گرمازدودی در باتریهای لیتیوم
عناصر اصلی الکترولیتهای باتری لیتیوم
الکترولیت باتری لیتیوم واقعاً به نوع حلالها و نمکهایی که در آن ترکیب میشوند بستگی دارد. برای مثال میتوان به اتیلن کربنات (EC) و دی متیل کربنات (DMC) اشاره کرد. این حلالهای خاص مطمئن میسازند که الکترولیت بتواند نمکهای لیتیوم را به خوبی حل کند که این موضوع مستقیماً بر عملکرد کلی باتری تأثیر میگذارد. انتخاب حلال در واقع چیزهایی مثل اینکه مایع چقدر ضخیم یا رقیق باشد و همچنین خواص الکتریکی آن را تعیین میکند که امری بسیار مهم است وقتی الکترونها باید به راحتی حرکت کنند. سپس نمک موجود در ترکیب، به ویژه LiPF6، نقش بزرگی در عبور بهرهورانه یونها از داخل باتری ایفا میکند. هدایت یونی خوب به معنای زمانهای شارژ سریعتر و نرخ تخلیه بهتر است که در مجموع باعث عملکرد بهتر باتریها در شرایط واقعی میشود. سازندگان همچنین افزودنیهای مختلفی را به فرمولهای خود اضافه میکنند. در اینجا میتوان به عوامل کاهش دهنده قابلیت اشتعال اشاره کرد. این افزودنیها فقط خطر اشتعال را کاهش نمیدهند، بلکه پایداری حرارتی را در بخشهای مختلف سیستم باتری نیز افزایش میدهند. این موضوع به جلوگیری از بروز شرایط خطرناکی کمک میکند که ممکن است هنگام گرم شدن باتریها در دورههای کاری رخ دهد.
چگونه فرار حرارتی در الکترولیتهای استاندارد آغاز میشود
درک نحوه بروز فرار حرارتی (Thermal Runaway) در باتریهای لیتیومی بسیار مهم است، زیرا این مسئله مستقیماً با ایمنی این باتریها در ارتباط است. در حین فرار حرارتی، واکنشهای شیمیایی درون باتری رخ میدهد که گرما تولید میکنند و در نهایت میتوانند منجر به از بین رفتن کامل باتری شوند. این فرآیند معمولاً زمانی آغاز میشود که دما به سطح خطرناکی بالا رود و باعث ایجاد اتصال کوتاه داخلی شود، چیزی که همه تلاش میکنند از آن جلوگیری کنند. عوامل مختلفی میتوانند این فرآیند را آغاز کنند، از جمله شارژ بیش از حد باتری، قرار گرفتن در معرض شرایط بسیار گرم یا سرد، و گاهی اوقات حتی نقصهایی که در فرآیند تولید باتری در کارخانه ایجاد شدهاند. برای مثال، شارژ بیش از حد باتری باعث افزایش شدید دمای داخلی میشود و ساختار الکترولیت را تخریب میکند تا زمانی که همه چیز از کنترل خارج شود. گزارشهای صنعتی نشان میدهند که این نوع خرابیها بسیار رایجتر از آنچه افراد فکر میکنند، رخ میدهد و همین موضوع باعث شده است که استانداردهای ایمنی اهمیت بیشتری پیدا کنند. قوانینی مانند قانون ایمنی باتری (Battery Safety Act) سعی دارند با وضع مقررات مشخص در مورد نحوه صحیح کار کردن با باتریها در صنایع مختلف، این مشکلات را کاهش دهند.
معیارهای صنعتی برای ثبات حرارتی الکترولیت
در حفظ پایداری الکترولیت در دماهای بالا در باتریهای لیتیومی، استانداردهای صنعتی واقعاً اهمیت دارند. سازمانهایی مانند IEC و UL قواعدی را برای میزان ایمنی و قابلیت اطمینان لازم این باتریها تعیین میکنند. دستورالعملهای آنها شامل آزمونهای مختلفی در زمینه مقاومت در برابر گرما میشود و در واقع حداقل الزاماتی را تعیین میکند که شرکتهای تولیدکننده باید قبل از ورود محصولاتشان به بازار، آن را فراهم کنند. وقتی شرکتها این استانداردها را رعایت میکنند، نسبت به رقبا مزیت کسب میکنند، چون مشتریان به دنبال محصولاتی ایمن و کارآمد هستند که واقعاً مطابق با آنچه ادعایش را دارند عمل کنند. رعایت این مقررات به حفاظت از افرادی که از باتریها استفاده میکنند کمک میکند و در عین حال شهرت محکمی در زمینه قابلیت اطمینان در میان بخش صنعت به وجود میآورد. رعایت این استانداردها تنها یک روش خوب نیست، بلکه ضروری است اگر شرکتها بخواهند اعتماد مصرفکنندگان را نسبت به ایمنی باتریها در کاربردهای مختلف حفظ کنند.
N,Nâ²-کاربونیل دی ایمیدازول (CDI): خصوصیات شیمیایی برای امنیت گرمایی
ساختار مولکولی و دمای تجزیه
N,N کربونیل دی ایمیدازول که به طور رایج به عنوان CDI شناخته میشود، دارای یک ساختار مولکولی متمایز است که به شدت روی رفتار حرارتی آن تأثیر میگذارد. آنچه CDI را متمایز میکند، توانایی آن در تحمل دماهای بالا قبل از تجزیه شدن است؛ به همین دلیل بسیاری از محققان آن را یک جزء مهم برای بهبود ایمنی باتری میدانند. وقتی باتریها در حین کار گرم میشوند، این خاصیت به حفظ ثبات کمک میکند و از شرایط خطرناکی مانند فرار حرارتی جلوگیری میکند که امروزه بیشتر باتریهای لیتیومی را درگیر میکند. با بررسی جایگزینهای موجود در بازار، عملکرد CDI در برابر گرما به طور کلی بهتر از سایر افزودنیهای موجود است. این تفاوت زمانی مشهود میشود که آزمایشها نشان میدهند مواد رقیب اغلب در دماهای بسیار پایینتری شروع به تجزیه میکنند و این امر منجر به از دست رفتن سریعتر ثبات در سیستمهای باتری میشود.
در تعامل CDI با الکترولیتهای مبتنی بر کربنات
CDI واقعاً به بهبود عملکرد الکترولیتهای مبتنی بر کربنات کمک میکند. آنچه اتفاق میافتد این است که این ترکیب شرایط پایداری را در مخلوط الکترولیت ایجاد میکند با تعادل کردن واکنشهای شیمیایی. نحوه عملکرد آن از انجام واکنشهای جانبی ناخواسته جلوگیری میکند و همچنین حرکت یونها را در سراسر سیستم بهتر میکند. این موضوع به این معنی است که باتریهای لیتیومی بهصورت کارآمدتر و ایمنتری کار میکنند. آزمایشگاههای سراسر جهان CDI را بهطور گسترده آزمایش کردهاند و دریافتهاند که این ماده سیستمهای الکترولیتی را حتی در شرایط سخت، در حالت بهتری حفظ میکند. بسیاری از تولیدکنندگان باتری این ماده را به طراحیهای خود اضافه کردهاند زیرا آزمایشهای میدانی نشان دادهاند که نتایج یکنواختی را در محصولات واقعی بهجای فقط محیطهای آزمایشگاهی فراهم میکند.
مقایسه پایداری گرمایی با محلولهای معمول
با توجه به CDI در کنار حلالهای استاندارد دیگر در باتریهای لیتیومی، چیزی که واقعاً توجه را جلب میکند، ثبات بالای آن در برابر گرماست. اعداد و ارقام نیز داستانی مشابه روایت میکنند؛ نقاط جوش بالاتر و محدودههای تحمل حرارتی بیشتری نسبت به گزینههای قدیمیتر مانند کربنات اتیلن یا کربنات دی متیل دارد. برای کسی که به دوام باتریها و جلوگیری از مشکلات داغ شدن آنها اهمیت میدهد، این نکته بسیار مهم است، چون این احتمال کمتر میشود که باتری تحت فشار گرمایی دچار تجزیه شود. مطالعات متعددی که اخیراً از سوی صنعت منتشر شدهاند این ادعاهای مربوط به CDI را تأیید میکنند و بسیاری از کارشناسان به دلیل عملکرد حرارتی قویاش، آن را به عنوان گزینه اصلی خود انتخاب کردهاند. هرچند هیچ مادهای کامل نیست، اما شواهد در حال رشد به وضوح دلیل اینکه چرا تولیدکنندگان به طور فزایندهای به سمت استفاده از راهکارهای CDI برای کنترل بهتر دما در طراحی باتریهای خود حرکت میکنند، را مشخص میکنند.
مکانیسمهای CDI در جلوگیری از تجزیه الکترولیت
کاهش واکنشهای اکسیداتیو در حین بارگذاری بیش از حد
ایمیدازول کربونیل داییمیدازول، که معمولاً به عنوان CDI شناخته میشود، نقش مهمی در حفظ ایمنی باتریها در هنگام شارژ بیش از حد دارد. چه چیزی باعث موثر بودن CDI میشود؟ این ماده با تغییر نحوه انجام واکنشهای شیمیایی در دماهای بالا کار میکند، که این امر از تجمع خطرناک گرما درون سلولهای باتری جلوگیری میکند. آزمایشهای آزمایشگاهی نشان میدهند که CDI واقعاً در شرایط سختی که باتری با آن مواجه میشود، عملکرد خوبی دارد. یکی از نکات برجسته در مورد CDI این است که محافظت اضافی از واکنشهای گریز از کنترل که باعث گرم شدن بیش از حد یا تخریب سریع باتری میشود، فراهم میکند. برای مواقعی که شارژ غیرارادی اتفاق میافتد، این موضوع به معنای کاهش خطر گرمایش خودبهخودی و افزایش ایمنی کلی برای هر کسی است که از این باتریها استفاده میکند. تولیدکنندگان باتری به این موضوع توجه میکنند، چرا که افزودن CDI به فرآیند تولیدشان، باعث کاهش مشکلات ایمنی عمده ناشی از مشکلات شارژ بیش از حد میشود.
افزایش پایداری لایه الکترولیت جامد (SEI)
فاز میانی الکترولیت جامد یا SEI به طور خلاصه، نقش مهمی در عملکرد بهتر باتریها ایفا میکند، زیرا از تماس مستقیم الکترولیت با الکترود جلوگیری میکند. بدون این مانع، انواع واکنشهای شیمیایی مخرب میتوانند درون باتری رخ دهند. تزریق تخلیه خازنی (CDI) تفاوت بزرگی در حفظ پایداری SEI ایجاد میکند، به این معنی که باتریها مدت زمان بیشتری نسبت به حالت عادی دوام میآورند. وقتی CDI لایه SEI را تقویت میکند، یک محافظت بهتر و قویتری در اطراف مواد حساس الکترود ایجاد میشود. در طول زمان، این محافظت به جلوگیری از تخریب سریع مواد کمک میکند. تحقیقات منتشر شده در چندین نشریه الکتروشیمی نشان میدهند که باتریهایی که با تکنولوژی CDI درمان میشوند، لایههای SEI بسیار قویتری نسبت به باتریهای معمولی تشکیل میدهند. این بهبودها به مزایای واقعی در دنیای عملی نیز ترجمه میشوند. تولیدکنندگانی که تکنولوژی CDI را در محصولات خود به کار میبرند، میتوانند محصولات خود را با عنوان دارای عمر طولانیتر و عملکرد بهتر بازاریابی کنند و این امر به آنها در بازار رقابتی انرژی ذخیرهسازی امروزی برتری میدهد.
خنثیسازی محصولات جانبی اسیدی تحت شرایط تنش حرارتی
هنگامی که باتریها در معرض شرایط گرمایی شدید قرار میگیرند، معمولاً مواد اسیدی تولید میکنند که به طور قابل توجهی عملکرد و طول عمر آنها را کاهش میدهد. CDI مانند یک بافر در برابر این مشکل عمل میکند و تجمعهای اسیدی مخرب که منجر به خوردگی و کاهش بهرهوری باتریها در طول زمان میشوند را کاهش میدهد. تحقیقات اخیر به خوبی نشان دادهاند که با دخیل شدن CDI در این فرآیند، میزان اسیدیت درون سلولهای باتری به طور قابل اندازهگیری کاهش مییابد. اما ارزش واقعی CDI تنها در جلوگیری از واکنشهای مخرب نیست. این فناوری در واقع قطعات مهم باتری را از آسیب محافظت میکند و این امکان را فراهم میکند که باتریها حتی در شرایط دمایی بحرانی یا در مواجهه با سایر عوامل استرسزا به طور پایدار عمل کنند. از دیدگاه صنعتی، شرکتهایی که فناوری CDI را در محصولات خود به کار میگیرند، باتریهایی تولید میکنند که در برابر محیطهای کاری سخت مقاومت بیشتری دارند و در مقایسه با مدلهای استاندارد بهتر عمل میکنند. این ویژگیهای بهبود یافته به طور مستقیم منجر به سیستمهای باتری با دوام بیشتری میشود که برای مشتریانی که به قابلیت اطمینان در شرایط سخت نیاز دارند، بسیار ارزشمند است.
مزایای عملکردی نسبت به اضافهکنندههای حرارتی سنتی
بازه دمایی عملیاتی ایمن گسترش یافته
در مقایسه با افزودنیهای حرارتی سنتی، CDI دامنه بسیار گسترتری از محدوده دمایی ایمن را فراهم میکند. کاربردهای باتری از این موضوع بهره میبرند، زیرا عملکرد بهتری در شرایط محیطی مختلف دارند و احتمال خرابی آنها در دماهای بسیار بالا کمتر است. به عنوان مثال، افزودنیهای سنتی در دماهای بالاتر دچار مشکل میشوند، زیرا ناپایدار میشوند. اما CDI به دلیل خواص واکنشی پایدار خود به گونهای عمل میکند که اجازه میدهد باتریها حتی در نوسانات دمایی قابل توجهی به خوبی کار کنند. تحلیلگران بازار متوجه شدهاند که این بهبودها در شرایط واقعی تأثیرگذار هستند. باتریها دوام بیشتری دارند و به صورت مطمئنتری کار میکنند، چیزی که برای خودروهای برقی و سیستمهای بزرگ ذخیره انرژی تجدیدپذیر که امروزه در همه جا دیده میشوند، اهمیت زیادی دارد.
کاهش تولید گاز در طول سوءاستفاده حرارتی
در مورد کاهش تولید گاز در شرایط سوئی ترمال، CDI چیزی بسیار مهم ارائه میدهد. کاهش گاز به معنای ایمنی بهتر است، زیرا تجمع بیش از حد گاز در داخل باتریها فشار خطرناکی ایجاد میکند که میتواند منجر به انفجار آنها شود. آزمایشها نشان دادهاند که باتریهایی که از CDI استفاده میکنند، در مقایسه با باتریهایی که از افزودنیهای معمولی بهره میبرند، گاز بسیار کمتری تولید میکنند. سطح گاز پایینتر در واقع باعث افزایش ایمنی کلی باتری میشود، زیرا احتمال متورم شدن یا انفجار آنها تحت فشار کمتر است. برای تولیدکنندگانی که به دنبال قابلیت اطمینان درازمدت هستند، CDI گزینهای جذاب برای توسعه باتریهایی است که در حین کارکرد ریسکهای جدی را به وجود نمیآورند.
همسازی با مولفههای الکترولیت ضدآتش
CDI در کنار مواد مقاوم در برابر آتش در باتریها به خوبی کار میکند که این امر کلیت ایمنی آنها را افزایش میدهد. هنگامی که CDI با این مواد شیمیایی مقابله با آتش ترکیب میشود، در واقع از میزان حفاظت آنها در برابر شرایط خطرناک میافزاید. آزمایشهای آزمایشگاهی در طول چندین سال نشان دادهاند که زمانی که CDI و مواد مقاوم در برابر آتش در کنار هم در سلولهای باتری استفاده شوند، میتوانند در برابر دماهای بسیار بالاتری مقاومت کنند و در شرایط استرسی دچار خرابی ساختاری نشوند. ترکیب این دو عنصر برای مواردی مانند باتریهای گوشیهای هوشمند، لپتاپها و خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد، جایی که مقررات ایمنی بسیار سختگیرانه هستند. تولیدکنندگان به این نوع حفاظت نیاز دارند، چرا که حتی خرابیهای کوچک نیز میتوانند در دستگاههای روزمرهای که مردم به آنها اعتماد دارند مشکلات بزرگی ایجاد کنند.