Негорючие аккумуляторы

Безопасные конструктивные решения для ионолитиевых накопителей
25.10.2020
Алексей Батырь

Американская компания Cadenza Innovation по заказу Управления по исследованиям и разработкам в области энергетики штата Нью-Йорк разработала необычные ионолитиевые блоки для построения систем хранения энергии (СХЭ), способных сглаживать пиковые нагрузки в энергосетях. Компания называет их «суперэлементами» (supercells), потому что они составлены не из одного, а из двадцати четырёх «рулетиков» - скрученных в виде рулета четырёхслойных электродных структур.

Основной целью проекта была разработка архитектуры и технологической платформы для производства недорогих и безопасных компонентов СХЭ со временем разряда от 4 до 6 часов. Но стоит отметить, что предложенный компанией подход может заинтересовать и других изготовителей ионолитиевых аккумуляторных батарей (АКБ). Cadenza не предлагает ни новой химии, ни новых материалов - только инновационный подход к упаковке и изоляции цилиндрических элементов без использования герметичной металлической оболочки на каждом из них; обещает обеспечить безопасность и повысить плотность энергии при одновременном снижении стоимости. Новые достижения в электрохимии, увеличивающие удельную ёмкость элементов или снижающие их цену, могут быть легко и быстро внедрены в производство Cadenza. Немаловажно также, что для изготовления самих «рулетиков» используется стандартное оборудование, применяемое крупными поставщиками ионолитиевых элементов.

Конструкция

Перечислим основные конструкторские решения, применённые при создании герметически закрытого «суперэлемента». Во-первых, это обойма из керамического композитного материала с ингибитором горения, не допускающая расширение зоны локального перегрева и обеспечивающая гашение ударных нагрузок (рис. 1). В обойму вставляются «рулетики» отдельных элементов открытой конструкции. Во-вторых - применение общих для всего модуля защитных устройств (предусмотрены защита от перезаряда и клапан сброса избыточного давления), размещённых на алюминиевом корпусе (рис. 2). В-третьих, на каждый «рулетик» надет «рукав» из тонкой алюминиевой фольги для заполнения элемента электролитом во время производства, а также для предотвращения его перегрева при эксплуатации.

Предложенная конструкция обеспечивает более плотную упаковку «рулетиков», чем в типичных модулях, составленных из отдельных готовых цилиндрических элементов, таких как широко распространенные 18650. Кроме того, в сравнении с теми же стандартными элементами 18650 она позволяет заполнить ячейки обоймы «рулетиками» большей энергоёмкости.

Тестирование

Разработчики подвергли своё изделие ряду испытаний на безопасность. Сначала провели тест на прорезание. В «суперэлемент» ёмкостью 83 А·ч вводили стальное лезвие шириной 3 мм со скоростью 8 см/с. Измеряли напряжение на модуле и его температуру в трёх местах. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что блок не подвержен тепловому разгону со всеми вытекающими негативными последствиями. Только немного белого дымка вышло из клапана.

Второй тест - на перезаряд и срабатывание устройства отключения по давлению. Модуль зарядили полностью (до напряжения 4,2 В) номинальным для него током 16 А (пятая часть ёмкости), а затем продолжали заряжать удвоенным током (32 А). Устройство отключения по давлению сработало при напряжении 4,6 В, притом температура блока не поднималась выше 40 °C.

Третий тест - на внешнее короткое замыкание. В этом испытании полностью заряженный модуль, температуру которого контролировали, был закорочен шунтом с сопротивлением менее миллиома. Ток короткого замыкания составил 1300 А. Через 0,2 с после закорачивания ток и напряжение на внешних выводах блока упали до нуля - сработал внутренний предохранитель. Температура при этом успела подняться меньше чем на два градуса. Кроме срабатывания предохранителя никаких изменений в состоянии модуля замечено не было.

Следующий тест - на внутреннее короткое замыкание - должен был подтвердить способность модуля противостоять каскадному термическому разгону при замыкании одного из составляющих его элементов. Для создания внутреннего короткого замыкания в блок был внедрен специальный «рулетик-диверсант». В результате «диверсии» температура «суперэлемента» не поднималась выше 120 °C. Из предохранительного клапана шёл легкий дымок, термического разгона не произошло. Разработчики конструкции убедились, что она действительно предохраняет аккумулятор от каскадного термического разгона (распространения перегрева одного элемента на соседние, иногда приводящего к большим пожарам, а то и взрывам), даже если происходит короткое замыкание в одном из его элементов. Между тем наиболее распространённый производственный дефект ионолитиевых АКБ - это как раз внутренние замыкания из-за того, что в процессе изготовления «рулетиков» в них случайно попадают металлические частицы.

Тест на удары и вибрацию подтвердил устойчивость конструкции к серии вибрационных и ударных воздействий, приложенных по всем трём осям модуля. Применялись методики ударных и вибрационных испытаний, принятые в автопроме для моделирования процесса многолетней эксплуатации. Повреждений модуля в результате теста не выявлено.

И наконец последний тест - на разрушение - также проводился по методикам автопрома. На полностью заряженный модуль давили с силой, в тысячу раз превышающей его вес, чтобы смоделировать аварию. В результате произошло вертикальное смятие «суперэлемента» примерно на 20% без каких-либо внутренних замыканий.

Проводились также испытания на снижение ёмкости после тысячи циклов заряда-разряда и другие тесты, показавшие, что конструкция модуля не вызывает ухудшения параметров применённых в нём ионолитиевых элементов.

Независимое подтверждение

В начале августа 2020 года компания Cadenza Innovation объявила о сертификации её «суперэлемента» на предмет безопасности по тестовой методике UL 9540A компании Underwriters Laboratory (UL). В процессе тестирования модули были подвергнуты искусственному терморазгону, чтобы выяснить, распространяется ли перегрев или даже пламя с одного элемента на другие. Блоки Cadenza не подвели своих создателей.

По словам основателя компании Кристины Лямпе Оннеруд, идея, лежащая в основе её разработок, не в том, чтобы создать ионолитиевые элементы, которые никогда не выходят из строя, а в том, чтобы отказ одной из АКБ в СХЭ не приводил к катастрофическим последствиям, но был для сервисной организации рядовым событием, требующим лишь замены неисправного блока. 

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы