Wat is vlamvertragende materiale?

Ek het verlede maand 'n oproep gekry van 'n paksamesteller in Ohio. Sy kliënt wou weet hoekom hul pakhuisversekering met 40% gestyg het nadat hulle litiumselle begin berg het. Die onderskrywer het termiese weghol aangehaal. Die samesteller het my gevra wat hy vir hulle kan vertel oor elektrolietveiligheid. Ek het vir hom dieselfde gesê wat ek vir almal sê. Die karbonaatoplosmiddels in jou selle sal brand. Die vraag is wat jy daaromtrent doen.

Die elektroliet maak miskien 10-15% van 'n sel se gewig uit. Etileenkarbonaat, dimetielkarbonaat, etielmetielkarbonaat. Dit is die werkesels. Hulle los litiumsoute goed op. Hulle laat ione vinnig beweeg. Hulle het ook flitspunte in die 30-40 grade reeks. 'n Gesteekte sakkiesel kan binne 'n minuut 200 grade intern slaan. Die wiskunde is nie ingewikkeld nie.

Fosforverbindings het omstreeks 2003 in batteryelektroliete verskyn. Trimetielfosfaat was die eerste een wat mense ernstig probeer het. Dit werk deur PO-radikale vry te stel wanneer dit warm word. Daardie radikale gryp waterstof van die vlamfront af en skakel die verbrandingskettingreaksie af. Jy kan selfblustyd van 50+ sekondes per gram tot enkelsyfers verminder. Die kompromis is viskositeit. Fosfate verdik die elektroliet. Ioongeleiding neem af. Jy verloor koersvermoë.

Vir maatskappye wat selle verkry, vra jouvervaardiger van litiumbatteryeoor elektrolietformulering behoort nou standaardpraktyk te wees. Die landskap het sedert 2020 verander. Chinese selvervaardigers stuur nou produkte met fosfaat-estermengsels wat dieselfde vlamspesifikasies tref as Japannese selle wat vyf jaar gelede vir twee keer die prys verkoop is. Zhangjiagang Guotai-Huarong verskaf elektroliet aan verskeie groot selprodusente. Die veiligheidsverbeterings het stroomaf beweeg.

Die gefluoreerde verbindings het later gekom. Hidrofluoro-eters. Gefluoreerde karbonate soos FEC en FEMC. Fluooratome op die molekule-ruggraat ontwrig radikale voortplanting anders as fosfor. Die resultate is goed. Die koste is nie. Gefluoreerde materiale loop steeds 3-5x wat jy vir standaardkarbonate betaal. Ek ken ouens wat hulle op 5-10% spesifiseer net om 'n veiligheidsdrempel te bereik sonder om hul stuk materiaal te vernietig.

Ioniese vloeistowwe het in 2015-2018 baie druk gekry. Byna nul dampdruk. Sal nie ontbrand onder enige normale misbruik scenario nie. Ek het deur 'n laboratorium in Münster getoer wat al ses jaar aan hulle gewerk het. Die navorser het vir my selle gewys wat 200 grade eksterne verhitting oorleef het sonder om te ontlucht. Hy het ook vir my gesê hulle betaal €85/kg vir die ioniese vloeistof. Kommersiële EC/DMC-mengsels kos minder as €4/kg. Die ekonomie het dit doodgemaak vir die motor. Sommige lugvaarttoepassings kan daardie koste absorbeer. Die meeste kan nie.

Gel polimeer elektroliete volg 'n ander benadering. Jy vang die vloeistoffase in 'n polimeermatriks vas. PVDF-HFP is algemeen. Sommige groepe bou fosfor direk in die polimeerruggraat in. Die vlamvertraging word struktureel. Navorsers by Qingdao Universiteit het verlede jaar werk gepubliseer oor poliimiedstelsels met fosfaseen-sykettings. Self-blustye minder as 5 sekondes. Meganiese sterkte hoog genoeg om dendrietgroei te vertraag. Die uitdaging is vervaardiging. Rol-tot-rolbedekking van gelelektroliete is nie so volwasse soos vloeistofvul nie.

By die evaluering van apasgemaakte litiumbatteryverskaffervir industriële toepassings, vra spesifieke vrae oor veiligheid. Wat is die SET van jou elektrolietformulering? Watter konsentrasie vlamvertragende bymiddel gebruik jy? Kan jy kegelkalorimetriedata verskaf? Sommige selvervaardigers sal hierdie inligting deel. Ander hanteer dit as eie. Die premium handelsmerke gebruik tipies 12-18% fosfaat-gebaseerde toevoeging volgens gewig in hul standaard motorselle.

Die bedryf toets vlamvertraging op verskeie maniere. Self-blustyd is die vinnige een. Jy steek 'n monster aan die brand en tyd hoe lank dit brand nadat jy die ontstekingsbron verwyder het. Beperkende suurstofindeks vertel jou die minimum O2-konsentrasie wat nodig is om verbranding te onderhou. UL 2054 en IEC 62133 stel slaag/druipkriteria vir voltooide selle. China se GB 38031-2020 vereis 5 minute se waarskuwingstyd voordat termiese voortplanting aangrensende selle in 'n pak bereik. Om aan daardie spesifikasie te voldoen, vereis dikwels vlamvertragende elektroliete.

Die herroepings het hierdie kwessie na vore gedryf. GM het 140 000 Bolt EV's teruggetrek vanaf 2021. Hyundai het Kona Electrics herroep. Ford het Lightning-produksie vertraag. Die grondoorsake het gewissel. Sommige was vervaardigingsfoute. Sommige was selontwerpkwessies. Almal van hulle het OEM-aankope-afdelings moeiliker vrae laat vra. Enigelitium battery OEM vennootom vir motorvoertuie gekwalifiseer te word, word nou meer ondersoek ingestel oor termiese veiligheidsdokumentasie as wat hulle in 2019 gedoen het.

Materiaalkoste voeg op skaal by tot regte geld. 'n 60 kWh-motorpak bevat ongeveer 40-50 kg elektroliet, afhangend van selformaat en laai. Om 15% vlamvertrager by te voeg teen $15/kg inkrementele koste beteken $90-110 per pak. Selvlakkoste het tot onder $100/kWh gedaal vir die goedkoopste LFP-prismatiese selle uit China. Dié vlamvertrager verteenwoordig sowat 1,5% van dieselkoste. Verkrygingspanne stry oor pennies per kWh. Dit is nie pennies nie.

Vir maatskappye wat verhoudings bou met 'nverskaffer van litiumbatterymodule, word die elektrolietspesifikasie dikwels in vroeë besprekings oor die hoof gesien. Mense fokus op kapasiteit, sikluslewe, C-tempo. Vlamvertraging verskyn later, gewoonlik wanneer die eindkliënt vir veiligheidsdokumentasie vra. Teen daardie tyd is die selontwerp gesluit. Die heraanpassing van 'n ander elektrolietformulering kan impedansie, kapasiteit en verouderingeienskappe verander. Dit is beter om vooraf te spesifiseer.

Die navorsingspyplyn het interessante werk in. Gelokaliseerde hoë-konsentrasie elektroliete gebruik fosfaatoplosmiddels wat verdun is met nie-vlambare gefluoreerde eters. Jy kry die vlamvertraging van fosfate met die viskositeit en geleidingsvermoë van tradisionele karbonate. Argonne het hieroor gepubliseer. Verskeie universiteitsgroepe in China werk aan variasies. Kommersiële beskikbaarheid is waarskynlik 2-3 jaar uit vir motorgraad.

Vaste-selle sal die vlambaarheidsprobleem heeltemal oplos. Keramiek- en sulfiedelektroliete brand nie. Hulle bestaan ​​ook nog nie op motorproduksieskaal nie. CATL, Samsung SDI, Toyota en QuantumScape het almal hul vaste-tydlyne met 2-4 jaar uitgeskuif in onlangse aankondigings. Enigeverskaffer van litiumbatteryveiligheidsoplossingssal jou vertel dat vlamvertragende vloeibare elektroliete die praktiese antwoord bly tot ten minste 2028 vir die meeste toepassings.

Ek het vyftien jaar in verskillende rolle aan hierdie probleem gewerk. Die tegnologie het verbeter. Kostes het gedaal. Selbrande vind steeds plaas. Hulle gebeur minder gereeld as wat hulle tien jaar gelede gedoen het, en die selle stoor vandag meer energie as die selle destyds. Die bedryf het in die regte rigting beweeg. Daar is meer werk om te doen.