Fundo

A propagação térmica de um módulo passa pelos seguintes estágios: acúmulo de calor após abuso térmico da célula, fuga térmica da célula e, em seguida, fuga térmica do módulo. A fuga térmica de uma única célula não tem influência; entretanto, quando o calor se espalha para outras células, a propagação causará um efeito dominó, levando à fuga térmica de todo o módulo, liberando energia massiva. Figura 1mostraré o resultado do teste de fuga térmica. O módulo está pegando fogo devido à propagação irresistível.

A condutividade térmica dentro de uma célula será diferente de acordo com as diferentes direções. O coeficiente de condutividade térmica será maior na direçãoparalelocom o núcleo do rolo de uma célula; enquanto a direção vertical ao núcleo do rolo tem menor condutividade. Portanto, a propagação térmica de um lado para o outro entre as células é mais rápida do que através das abas nas células. Portanto, a propagação pode ser vista como uma propagação unidimensional. Como os módulos de bateria são projetados para maior densidade de energia, o espaço entre as células fica menor, o que piorará a propagação térmica. Portanto, suprimir ou bloquear a propagação de calor no módulo será considerado umaefeitouma maneira eficaz de diminuir os perigos. 

A maneira de suprimir a fuga térmica em um módulo

Podemos conter a fuga térmica de forma ativa ou passiva.

Supressão ativa

A supressão ativa da propagação térmica é baseada principalmente em sistemas de gerenciamento térmico, como:

1) Coloque os tubos de resfriamento na parte inferior ou nas laterais internas de um módulo e encha com líquido de resfriamento. O fluxo do líquido de resfriamento pode efetivamente diminuir a propagação.

2) Instale tubos de extinção de incêndio na parte superior de um módulo. Quando há fuga térmica, o gás de alta temperatura liberado da bateria fará com que os tubos pulverizem o extintor para suprimir a propagação.

No entanto, um gerenciamento térmico requer componentes extras, levando a custos mais elevados e menor densidade de energia. Também existe a possibilidade de o sistema de gestão não entrar em vigor.

Supressão passiva

A supressão passiva funciona bloqueando a propagação através de material adiabático entre células descontroladas térmicas e células normais.

Normalmente o material deve aparecer em:

1. Baixa condutividade térmica. Isto é para diminuir a velocidade de propagação do calor.
2. Resistência a altas temperaturas. O material não deve resolver sob altas temperaturas e perder a capacidade de resistência térmica.
3. Baixa densidade. Isto é para diminuir a influência da taxa de volume-energia e da taxa de massa-energia.

Enquanto isso, o material ideal pode bloquear a propagação do calor e também absorvê-lo.

Análise do material

• Aerogel

O aerogel é denominado “o material de isolamento térmico mais leve”. Tem um bom desempenho em isolamento térmico e é leve. É amplamente utilizado em módulos de bateria para proteção contra propagação térmica. Existem muitos tipos de aerogel, como aerogel de dióxido de silício, aerogel, aerogel de fibra de vidro e fibra pré-oxidada. A camada de isolamento térmico de aerogel de diferentes materiais tem vários impactos na fuga térmica. Isso ocorre devido à variedade do coeficiente de condutividade térmica, que está altamente relacionado à sua microestrutura. A Figura 2 mostra a aparência SEM de diferentes materiais antes e depois da queima.

A pesquisa mostra que, embora o isolamento térmico de fibra tenha um preço mais baixo, o desempenho de bloqueio da propagação de calor é pior do que o material de aerogel. Entre os diferentes tipos de materiais de aerogel, o aerogel de fibra pré-oxidada tem o melhor desempenho, pois mantém a estrutura após a queima. O aerogel de fibra cerâmica também tem um bom desempenho no isolamento térmico.

• Material de mudança de fase

O material de mudança de fase também é amplamente utilizado para suprimir a propagação de fuga térmica devido ao armazenamento de calor. A cera é um PCM comum, com temperatura de mudança de fase estável. Durante a térmicafugitivo, o calor é liberado massivamente. Portanto, o PCM deve ter altadesempenhode absorver calor. No entanto, a cera tem baixa condutividade térmica, o que influenciará a absorção de calor. Para promover seu desempenho, os pesquisadores tentam combinar cera com outros materiais, como adicionar partículas metálicas, usar espuma metálica para carregar PCM, adicionargrafite, nanotubo de carbono ou grafite expandido, etc. A grafite expandida também pode conter a chama causada pela fuga térmica.

O polímero hidrofílico também é um tipo de PCM para restringir a pista térmica. Os materiais poliméricos hidrofílicos comuns são: dióxido de silício coloidal, solução saturada de cloreto de cálcio,Fosfato de tetraetila, tetrafenil hidrogenofosfato, époliacrilato de sódio, etc.

•  Material híbrido

A fuga térmica não pode ser contida se confiarmos apenas no aerogel. Para ter sucessoisolaro calor, precisamos combinar o aerogel com PCM.

Além do material híbrido, também podemos construir materiais multicamadas com vários coeficientes de condutividade térmica em diferentes direções. Podemos usar material de alta condutividade térmica para conduzir o calor para fora do módulo e colocar material de isolamento térmico entre as células para restringir a propagação térmica.

Conclusão

Controlar a propagação de fuga térmica é um assunto complicado. Alguns fabricantes criaram algumas soluções para suprimir a propagação de calor, mas ainda buscam algo novo, a fim de reduzir o custo e a influência na densidade de energia. Ainda estamos nos concentrando nas pesquisas mais recentes. Não há“super material” que pode bloquear totalmente a fuga térmica. São necessários muitos experimentos para obter as melhores soluções.