Hva er flammehemmende materialer?

Jeg ble oppringt forrige måned fra en pakkemontør i Ohio. Kunden hans ønsket å vite hvorfor lagerforsikringen deres gikk opp 40 % etter at de begynte å lagre litiumceller. Underwriteren siterte termisk løping. Montøren spurte meg hva han kunne fortelle dem om elektrolyttsikkerhet. Jeg fortalte ham det samme som jeg forteller alle. Karbonatløsningsmidlene i cellene dine vil brenne. Spørsmålet er hva du gjør med det.

Elektrolytten utgjør kanskje 10-15 % av en celles vekt. Etylenkarbonat, dimetylkarbonat, etylmetylkarbonat. Dette er arbeidshestene. De løser litiumsalter godt. De lar ioner bevege seg raskt. De har også flammepunkter i området 30-40 grader. En punktert posecelle kan treffe 200 grader internt på under ett minutt. Matematikken er ikke komplisert.

Fosforforbindelser dukket opp i batterielektrolytter rundt 2003. Trimetylfosfat var det første folk prøvde seriøst. Det fungerer ved å frigjøre PO-radikaler når det blir varmt. Disse radikalene griper hydrogen fra flammefronten og slår av forbrenningskjedereaksjonen. Du kan redusere selvslukkingstiden fra 50+ sekunder per gram ned til enkeltsifrede. Avveiningen er viskositet. Fosfater fortykker elektrolytten. Ioneledningsevnen faller. Du mister hastighetsevnen.

For selskaper som kjøper celler, spør dinprodusent av litiumbatterierom elektrolyttformulering bør være standard praksis nå. Landskapet har endret seg siden 2020. Kinesiske celleprodusenter leverer nå produkter med fosfat-esterblandinger som treffer de samme flammespesifikasjonene som japanske celler solgt for det dobbelte av prisen for fem år siden. Zhangjiagang Guotai-Huarong leverer elektrolytt til flere store celleprodusenter. Sikkerhetsforbedringene har flyttet seg nedstrøms.

De fluorerte forbindelsene kom senere. Hydrofluoretere. Fluorerte karbonater som FEC og FEMC. Fluoratomer på molekylets ryggrad forstyrrer radikal forplantning annerledes enn fosfor gjør. Resultatene er gode. Kostnadene er det ikke. Fluorholdige materialer kjører fortsatt 3-5 ganger hva du betaler for standard karbonater. Jeg kjenner gutter som spesifiserer dem til 5-10% bare for å nå en sikkerhetsterskel uten å ødelegge materiallisten deres.

Ioniske væsker fikk mye press rundt 2015-2018. Nær null damptrykk. Vil ikke antennes under noe normalt misbruksscenario. Jeg besøkte et laboratorium i Münster som hadde jobbet med dem i seks år. Forskeren viste meg celler som overlevde 200 graders ekstern oppvarming uten å ventilere. Han fortalte meg også at de betalte €85/kg for den ioniske væsken. Kommersielle EC/DMC-blandinger koster under €4/kg. Økonomien drepte det for bilindustrien. Noen romfartsapplikasjoner kan absorbere denne kostnaden. De fleste kan ikke.

Gelpolymerelektrolytter har en annen tilnærming. Du fanger væskefasen i en polymermatrise. PVDF-HFP er vanlig. Noen grupper bygger fosfor direkte inn i polymerryggraden. Flammehemmingen blir strukturell. Forskere ved Qingdao University publiserte i fjor arbeid om polyimidsystemer med fosfazensidekjeder. Selvslukkende-tider under 5 sekunder. Mekanisk styrke høy nok til å bremse dendrittveksten. Utfordringen er produksjon. Rull-til-rullbelegg av gelelektrolytter er ikke like modent som flytende fyll.

Ved vurdering av aleverandør av tilpasset litiumbatterifor industrielle applikasjoner, still spesifikke spørsmål om sikkerhet. Hva er SET av elektrolyttformuleringen din? Hvilken konsentrasjon av flammehemmende tilsetningsstoff bruker du? Kan du gi kjeglekalorimetridata? Noen celleprodusenter vil dele denne informasjonen. Andre behandler det som proprietært. Premium-merkene kjører vanligvis 12-18 % fosfatbasert tilsetning i vekt i sine standard bilceller.

Bransjen tester flammehemming på flere måter. Selvslukkingstiden er den raske. Du tenner en prøve og måler hvor lenge den brenner etter at du har fjernet tennkilden. Begrensende oksygenindeks forteller deg den minste O2-konsentrasjonen som trengs for å opprettholde forbrenningen. UL 2054 og IEC 62133 setter bestått/ikke bestått-kriterier for ferdige celler. Kinas GB 38031-2020 krever 5 minutters advarselstid før termisk forplantning når tilstøtende celler i en pakke. Å oppfylle denne spesifikasjonen krever ofte flammehemmende elektrolytter.

Tilbakekallingene presset dette problemet til fronten. GM trakk tilbake 140 000 Bolt EV-er fra og med 2021. Hyundai tilbakekalte Kona Electrics. Ford forsinket Lightning-produksjonen. Grunnårsakene varierte. Noen var produksjonsfeil. Noen var problemer med celledesign. Alle fikk OEM-innkjøpsavdelinger til å stille vanskeligere spørsmål. Noenlitiumbatteri OEM-partnerprøver å bli kvalifisert for bilindustrien står nå overfor mer gransking av termisk sikkerhetsdokumentasjon enn de gjorde i 2019.

Materialkostnader summerer seg til ekte penger i stor skala. En 60 kWh-bilpakke inneholder omtrent 40-50 kg elektrolytt avhengig av celleformat og belastning. Å legge til 15 % flammehemmende middel til $15/kg ekstra kostnad betyr $90-110 per pakke. Kostnadene på cellenivå har falt under $100/kWh for de billigste prismatiske LFP-cellene fra Kina. Den flammehemmeren representerer omtrent 1,5 % av cellekostnaden. Innkjøpsteam krangler om pennies per kWh. Dette er ikke øre.

For selskaper som bygger relasjoner med enleverandør av litiumbatterimodul, blir elektrolyttspesifikasjonen ofte oversett i tidlige diskusjoner. Folk fokuserer på kapasitet, syklusliv, C-rate. Flammehemming viser seg senere, vanligvis når sluttkunden ber om sikkerhetsdokumentasjon. Da er celledesignet låst. Ettermontering av en annen elektrolyttformulering kan endre impedans, kapasitet og aldringsegenskaper. Bedre å spesifisere på forhånd.

Forskningspipelinen har interessant arbeid i seg. Lokaliserte elektrolytter med høy-konsentrasjon bruker fosfatløsningsmidler fortynnet med ikke-brennbare fluorerte etere. Du får flammehemmingen til fosfater med viskositeten og konduktiviteten til tradisjonelle karbonater. Argonne har publisert om dette. Flere universitetsgrupper i Kina jobber med varianter. Kommersiell tilgjengelighet er sannsynligvis 2-3 år ut for bilindustrien.

Solid-celler ville løse brennbarhetsproblemet fullstendig. Keramikk- og sulfidelektrolytter brenner ikke. De eksisterer heller ikke i bilproduksjonsskala ennå. CATL, Samsung SDI, Toyota og QuantumScape har alle presset sine solide-tidslinjer ut med 2-4 år i de siste kunngjøringene. Noenleverandør av litiumbatterisikkerhetsløsningervil fortelle deg at flammehemmende flytende elektrolytter forblir det praktiske svaret gjennom minst 2028 for de fleste bruksområder.

Jeg brukte femten år på å jobbe med dette problemet i forskjellige roller. Teknologien har blitt bedre. Kostnadene har falt. Cellebranner skjer fortsatt. De skjer sjeldnere enn de gjorde for ti år siden, og cellene i dag lagrer mer energi enn cellene da. Næringen beveget seg i riktig retning. Det er mer arbeid å gjøre.