ایمنی وسایل نقلیه الکتریکی (EV) در مقابل آتش سوزی همچنان یک چالش مهم است. داده ها از این واقعیت روایت می‌کنند که احتمال آتش گرفتن خودروهای الکتریکی کمتر از خودروهای موتور احتراق داخلی است. با این حال، به عنوان یک فناوری جدید، حساسیت بیشتری در مورد ایمنی خودروهای برقی وجود دارد و علاوه بر این، حتی احتمال بسیار پایین رخ دادن آتش‌سوزی همچنان خطرات قابل‌توجهی برای سرنشینان خودرو و محیط اطراف ایجاد می‌کند. بعلاوه مشخص نیست که بالا رفتن عمر خودروهای قدیمی چه تاثیری بر افزایش احتمال آتش گرفتن باتری‌ها خواهد داشت. سیستم‌های مدیریت حرارتی، کنترل کیفیت و مدیریت باتری مؤثر، خطر وقوع حریق را به حداقل می‌رسانند، اما موادی که حفاظت از باتری در برابر آتش و یا به تعویق انداختن آتش‌سوزی را بر عهده دارند، راه حل اصلی برای این مشکل است. پیش‌بینی شده است که بازار تمامی وسایل نقلیه (شامل خودرو، هواپیما و …) در سال 2044 به ارزش 3.5 تریلیون دلار خواهد بود.
- پدیده‌ی فرار حرارتی (Thermal Runaway)
این پدیده در هنگام بالا رفتن دما و انجام واکنش‌های گرمازا رخ می‌دهد. انجام این واکنش‌ها باعث افزایش میل به پیشرفت واکنش و در نتیجه ایجاد حرارت زیاد در بازه زمانی کوتاهی می‌شود که به سرعت دمای محیط را بالا می‌برد. آتش سوزی در باتری‌ها اغلب به دلیل اتصال کوتاه درون سلول‌ها و تماس مستقیم دو قطب مثبت و منفی باتری رخ می‌دهد. در اثر این اتفاق حرارت بالایی در داخل سلول ایجاد می‌شود که می‌تواند الکترولیت مایع را متشعل و تبدیل به حالت گاز کند. مواد فعال استفاده شده در باتری نیز در اثر این حرارت بالا، تجزیه شده و طی واکنش‌های گرمازا، به حرارت داخل سلول اضافه می‌کنند. تجزیه این مواد و الکترولیت، تولید محصولات گازی مانند هیدروژن، اتیلن، کربن مونواکسید، گازهای اسیدی مانند هیدروکلریک اسید و هیدروفلوئوریک اسید را به همراه دارد که علاوه بر آتش‌سوزی، باعث افزایش فشار، انفجار باتری و سرایت حریق به سایر باتری‌ها می‌شوند.
میزان ریسک آتش‌سوزی یک پک باتری به چهار عامل وابسته است. شیمی باتری اولین عامل موثر است. برخی ترکیبات مانند مواد اکسیدی سه‌گانه حاوی کبالت و نیکل، نسبت به ترکیبات حاوی فسفات آهن، در اثر سوختن، حرارت بیشتری را آزاد می‌کنند. عامل دوم، ظرفیت سلول‌های باتری است. طبیعی است که باتری‌های بزرگ‌تر و با ظرفیت بیشتر، حرارت و گاز بیشتری را در حین آتش سوزی آزاد می‌کنند. عامل دیگر، طراحی پک باتری است. قرارگیری سلول‌ها بصورت متراکم در کنار یکدیگر، خطر تجمع حرارت و بالا رفتن دمای آنها را افزایش می‌دهد. اما عامل نهایی، وضعیت شارژ باتری است. بیشترین انرژی آزاد شده مربوط به حالت 100 درصدی شارژ باتری است.
- خواص کلیدی برای مواد حفاظتی در برابر آتش
خواصی از قبیل هدایت حرارتی، چگالی، ضخامت، حداکثر دمای حفاظت در برابر آتش و هزینه برای انتخاب مواد بهینه حفاظت در برابر آتش کلیدی هستند. هر یک از این عوامل به تنهایی مهم هستند اما باید در سطح پک باتری در نظر گرفته شوند. یک ماده می تواند بسیار سبک وزن باشد، اما اگر مقدار زیادی از آن برای محافظت لازم باشد، ممکن است بهترین راه حل نباشد. به همین ترتیب، اگر یک ماده باید با مواد دیگر ترکیب شود تا تمام عملکردهای لازم را ارائه دهد، ممکن است بر عملکرد و مقرون به صرفه بودن آن تأثیر بگذارد.
به عنوان مثال، یک پتوی آئروژل که برای محافظت در سطح پک باتری استفاده می‌شود، تقریباً ۲۵ درصد سبک‌تر از ورق‌های میکای مشابه است. برای محافظت در سطح سلول، میکا و آئروژل ها می توانند وزن مشابهی در هر کیلووات ساعت باتری داشته باشند، اما ملاحظات دیگری باید برای عملکرد تراکم و ضخامت در نظر گرفته شود که بر چگالی انرژی حجمی تأثیر می گذارد.
- گزینه هایی برای مواد حفاظت از آتش
استفاده از افزودنی‌های الکترولیت مانند مواد بر پایه فسفات می‌توانند مقاومت الکترولیت به تجزیه شدن در برابر گرما را بهبود دهند. الکترولیت‌های حالت جامد نیز یکی‌دیگر از راه حل‌های مورد توجه برای جلوگیری از آتش‌سوزی در مقیاس سلول‌هستند. سپراتور یا همان جداکننده‌ی دو قطب مثبت و منفی باتری نیز در اثر حرارت تخریب شده و امکان اتصال کوتاه را تشدید می‌کند. پوشش‌دهی سپراتورهای پلیمری با مواد سرامیکی مقاوم به حرارت مانند اکسید آلومینیوم می‌تواند مانع از اتصال کوتاه و همچنین بهبود مقاومت حرارتی آن شود. استفاده از مواد آندی نوین مانند سیلیکون و یا لیتیوم تیتانات (LTO) به دلیل سرعت شارژ بالا و عدم تجمع لیتیوم بر سطح آند، امکان رخ دادن اتصال کوتاه در باتری و آتش‌سوزی آن را کاهش می‌دهند.
از جمله مواد پوشش داده شده بر سطح پک باتری برای کنترل آتش‌سوزی پتوها/ورق های سرامیکی (و سایر منسوجات غیر بافته)، میکا، آئروژل ها، پوشش ها (محافط کننده و غیره)، فوم های محصور کننده باتری، پدهای فشرده سازی و مواد با فاز متغیر (Phase Change Material) هستند.
فرمت های سلولی مختلفی در بازار خودروهای برقی استفاده می شود. در سال 2022، 55 درصد از خودروهای الکتریکی جدید فروخته شده از سلول های باتری مکعبی (Prismatic) استفاده می شود. سلول های کیسه ای 24 درصد و بقیه از سلول های استوانه ای استفاده می کنند. هر یک از این فرمت های سلولی از نظر مواد بکار رفته در آنها نیازهای متفاوتی دارند که منجر به گرایش هایی در پذیرش مواد محافظت در برابر آتش شده است. برای مثال، سیستم‌های استوانه‌ای عمدتاً از فوم‌های کپسوله‌کننده استفاده می‌کنند، در حالی که سیستم‌های مکعبی معمولاً از موادی مانند میکا در قالب ورقی شکل استفاده می‌کنند.
بسیاری از تولیدکنندگان نیز به سمت طراحی سلول به بسته (Cell to Pack) حرکت می‌کنند که در آن محفظه‌های ماژول (و تعداد زیادی از مواد دیگر) حذف می‌شوند که منجر به بهبود چگالی انرژی می‌شود اما به طور بالقوه جلوگیری از آتش‌سوزی در این نوع طراحی چالش برانگیزتر است. این انتخاب‌های طراحی همگی بر انتخاب و استقرار مواد حفاظتی در برابر آتش تأثیر زیادی می‌گذارند.
پتوهای سرامیکی یک انتخاب رایج برای محافظت در بالای سلول ها و زیر درب و به تاخیر انداختن انتشار آتش در خارج از بسته بوده است. ورق های میکا یکی دیگر از انتخاب های محبوب با عملکرد دی الکتریک عالی در ضخامت های نازک بین سلول ها هستند اما اغلب در ورق های ضخیم تر بالای ماژول ها استفاده می شوند. ورق‌های میکا دمای تا 1000 درجه سانتی‌گراد و ولتاژ 2000 ولتی را تحمل می‌کنند و اغلب به عنوان عایق در کوره‌ها استفاده می‌شود. آئروژل ها با پذیرش قابل توجه در چین مواجه‌اند. به دلیل هدایت حرارتی به شدت کم این ماده، مقدار اندکی از آئروژل می‌تواند برای محافظت از باتری کافی باشد. در نتیجه لایه‌های نازک از آن می‌تواند به افزایش فضا برای پک باتری و افزایش ظرفیت ذخیره انرژی آن کمک کند. مهم‌ترین شرکت پیشرو در تولید آئروژل‌های عایق حرارتی باتری، شرکت Cabot است که این ماده را با نام تجاری ENTERA عرضه می‌کند. حجم بازار آئروژل‌ها در صنعت باتری، هم‌اکنون به میزان 200 میلیون دلار است. اما تا ده سال آینده به 1.8 میلیارد دلار افزایش خواهد یافت.
ورق های عایق حاوی آئروژل
استفاده از فوم‌های کپسوله‌کننده نیز برای بسته‌های باتری استوانه‌ای مانند تسلا برای ارائه عایق حرارتی سبک و ساختار مورد استفاده قرار گرفته است. برای یک پک باتری 60 کیلووات ساعتی، تقریبا 8 کیلوگرم فوم پلی‌اورتان استفاده می‌شود. اما استفاده از این ماده، جداسازی باتری در پایان عمر آن و فرآیند بازیافت را دشوار می‌کند.
برای سلول‌های کیسه‌ای، بالشتک‌های فشرده‌سازی برای سازگاری با تورم باتری در پایان عمر آن رایج هستند و چندین تامین‌کننده مواد شروع به ترکیب این عملکرد با حفاظت در برابر آتش برای ارائه یک راه‌حل چند منظوره کرده‌اند.
مقایسه انواع عایق حرارتی
- چشم انداز
بازار خودروهای برقی به رشد سریع خود ادامه می‌دهد و با وجود وسایل نقلیه بیشتر در جاده‌ها، ارائه محافظت مؤثر در برابر فرار حرارتی بیش از هر زمان دیگری حیاتی‌تر می‌شود. قوانین همچنان در حال توسعه هستند و تمرکز بیشتری بر ایمنی باتری دارند که منجر به ایجاد فرصت های بیشتری برای تامین کنندگان مواد می شود. با این حال، از آنجایی که سازندگان خودرو در تلاش برای کاهش هزینه‌ها هستند، ارائه موادی که می‌توانند عملکردهای متعددی را با قیمت مناسب انجام دهند، کلید پیشرفت آینده آنها است. در نتیجه پیش‌بینی می‌شود بازار مواد حفاظتی در برابر آتش سوزی باتری خودروهای برقی سالانه 16 درصد بین سال‌های 2023 تا 2034 رشد خواهد کرد.
