Сравнение поведения литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов при перегреве
Аккумулятор FIAMM 12FGL42
Ученые из Германии проанализировали поведение натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов при перегреве в 10-литровом реакционном сосуде. Они подвергли термическому воздействию 30 образцов, каждый из которых находился на разном уровне заряда, и обнаружили, что оба типа аккумуляторов перегревались при заряде не менее 50%.
сследователи из немецкого университета имени Отто фон Герике в Магдебурге проанализировали и сравнили характеристики теплового разгона в натрий-ионных батареях (SIB) и литий-ионных батареях (LIB) с катодами из слоистого оксида.
Термический разгон — это цепная реакция, которая может произойти в аккумуляторах при их перегреве, что потенциально может привести к возгоранию и взрыву.«Во время термического разгона компоненты элемента разлагаются, выделяя горючие и токсичные газы, а также пары электролита, твёрдые частицы и тепло», — объяснили исследователи.
Они сравнили поведение при тепловом разгоне и выделение газа в SIB и LIB с многослойным оксидным катодом. «В данном случае цилиндрические SIB типа 18650 с катодом NFM (многослойный оксидный катод) и цилиндрические LIB типа 18650 с катодом NMC (многослойный оксидный катод) были переведены в режим теплового разгона», — добавили они.
Всего было протестировано 30 коммерческих аккумуляторов, 15 из которых имели ячейки SIB ёмкостью 3,6 Вт·ч (1,2 А·ч) с катодом NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2 (NFM), а ещё 15 — ячейки LIB ёмкостью 10,4 Вт·ч (2,9 А·ч) с катодом Li(NixMnyCo1-x-y)O2 (NMC). Три аккумулятора любого типа были протестированы при различных уровнях заряда (SOC), а именно: 0%, 25%, 50%, 75% и 100%. Испытания проводились с использованием герметичного реакционного сосуда объёмом 10 л с рабочим давлением 20 бар.
«Реакционный сосуд содержит держатель ячеек с четырьмя нагревательными картриджами мощностью 320 Вт. Каждая ячейка была подвергнута локальному перегреву, что привело к тепловому разгону», — сообщили в группе. «Максимальная мощность нагревательных картриджей в каждом испытании была ограничена 100 Вт, что обеспечивало максимальную температуру около 300 °C при скорости нагрева 12 К/мин».
В ходе этого эксперимента исследовательская группа обнаружила, что как в SIB, так и в LIB при SOC, равном или превышающем 50%, происходит тепловой разгон. В SIB скорость повышения температуры составляла более 2 К в секунду, а в LIB — более 10 К в секунду. Температура начала теплового разгона составляла 135–165 °C для SIB и 140–172 °C для LIB.
«Нормализованный объём вырабатываемого газа указывает на схожие характеристики выработки газа в SIB и LIB», — показали результаты. «Четыре компонента газа из семи, рассмотренных в настоящем исследовании, а именно: монооксид углерода (CO), метан (CH4), цианистый водород (HCN) и этилен (C2H4) — показали схожие характеристики выработки в двух типах ячеек». Нижний предел взрываемости (НПВ) в 4,8% по объёму и 5,5% по объёму был измерен для взрывоопасной газовой смеси SIB и LIB соответственно. Такие значения представляют опасность взрыва.
«Реакционный сосуд содержит держатель ячеек с четырьмя нагревательными картриджами мощностью 320 Вт. Каждая ячейка была подвергнута локальному перегреву, что привело к тепловому разгону», — сообщили в группе. «Максимальная мощность нагревательных картриджей в каждом испытании была ограничена 100 Вт, что обеспечивало максимальную температуру около 300 °C при скорости нагрева 12 К/мин».
В ходе этого эксперимента исследовательская группа обнаружила, что как в SIB, так и в LIB при SOC, равном или превышающем 50%, происходит тепловой разгон. В SIB скорость повышения температуры составляла более 2 К в секунду, а в LIB — более 10 К в секунду. Температура начала теплового разгона составляла 135–165 °C для SIB и 140–172 °C для LIB.
«Нормализованный объём вырабатываемого газа указывает на схожие характеристики выработки газа в SIB и LIB», — показали результаты. «Четыре компонента газа из семи, рассмотренных в настоящем исследовании, а именно: монооксид углерода (CO), метан (CH4), цианистый водород (HCN) и этилен (C2H4) — показали схожие характеристики выработки в двух типах ячеек». Нижний предел взрываемости (НПВ) в 4,8% по объёму и 5,5% по объёму был измерен для взрывоопасной газовой смеси SIB и LIB соответственно. Такие значения представляют опасность взрыва.
Их выводы были представлены в статье «Сравнение характеристик теплового разгона в натрий-ионных батареях и литий-ионных батареях со слоистыми оксидными катодными материалами: влияние уровня заряда», опубликованной в Journal of Power Sources.