Репортаж от Wedoany，Исследователи из Университета нефти Китая (Пекин) и Китайской академии наук безопасности производства разработали градиентный слоистый композитный материал на основе керамизируемой силиконовой резиновой пены, который эффективно предотвращает каскадный отказ при тепловом разгоне систем накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах. Материал образует плотный керамический барьер при высоких температурах благодаря многошкальной системе наполнителей, одновременно выдерживая воздействие струй высокотемпературного газа под высоким давлением.
Распространение теплового разгона является основной угрозой безопасности для промышленных систем накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах. Температура ядра газовой струи, выбрасываемой в процессе теплового разгона, может достигать от 800°C до 1200°C, а скорость выброса превышает 200 м/с. Традиционные пассивные теплоизоляционные материалы в таких условиях легко выходят из строя: органические пены разрушаются при температуре выше 300°C, а неорганические волокнистые материалы распадаются под воздействием высокоскоростных струй.
Разработанный исследовательской группой композитный материал использует пену на основе полидиметилсилоксана в качестве матрицы, армированной стекловолокнистой тканью, и содержит многошкальную систему наполнителей, включающую полифосфат аммония, борат цинка, каолин и аэрогель диоксида кремния. В нормальных условиях эксплуатации материал сохраняет гибкость и эластичность, демонстрируя стабильные механические свойства в диапазоне от -40°C до 300°C, и сохраняет 93% остаточного напряжения после 1000 циклов сжатия. При воздействии пламени наполнители запускают многоступенчатый процесс керамизации: антипирены выделяют инертные газы и способствуют образованию углеродного слоя, а каолин и аэрогель диоксида кремния при температуре выше 600°C подвергаются жидкофазному спеканию, образуя плотный керамический барьер. Даже при повреждении поверхности пены встроенная стекловолокнистая ткань продолжает сопротивляться перфорации струей газа под высоким давлением.
В испытаниях на конусном калориметре по сравнению с обычной силиконовой резиновой пеной общее тепловыделение композитного материала снизилось на 54,4%, а дымообразование — на 87,9%. Под воздействием пламени бутана при температуре около 1100°C материал сохранял структурную целостность более 30 минут, а температура на тыльной стороне стабилизировалась на уровне 97,1°C. Измеренный коэффициент теплопроводности составил 0,046 Вт/(м·К), что примерно на 50% ниже, чем у немодифицированной силиконовой резиновой пены. Предельный кислородный индекс материала достиг 33,5%, и он соответствует классу огнестойкости UL-94 V-0.
Оценка производительности аккумуляторного модуля проводилась с использованием трех коммерческих призматических аккумуляторов емкостью 37 А·ч в контролируемой трехэлементной конфигурации. Без теплоизоляции, начиная с момента теплового разгона первого аккумулятора, все три аккумулятора полностью распространяли процесс за несколько секунд. При использовании 3 мм обычной силиконовой резиновой пены распространение было замедлено, но не предотвращено. При использовании 3 мм керамизируемого композитного материала тепловой разгон был ограничен инициирующим аккумулятором, температура на лицевой стороне соседних аккумуляторов достигла 167,1°C, но не превысила порогового значения разгона.
Общая потеря массы в испытаниях с керамизируемым композитным материалом составила 255,4 г, тогда как в испытаниях с обычной силиконовой резиновой пеной — 796,3 г, что согласуется с результатами ограниченного одноэлементного теста. В независимых сравнительных испытаниях, проведенных той же исследовательской группой, использование коммерческого аэрогелевого войлока также позволило ограничить распространение одним аккумулятором, но температура на лицевой стороне соседних аккумуляторов была немного выше и составила 181,1°C. В исследовательской статье отмечается, что толщина композитного материала в 3 мм сохраняет объемную плотность энергии аккумуляторного модуля, а его производственный процесс совместим с промышленным рулонным производством.
Исследование опубликовано в академическом журнале Nano-Micro Letters под названием «Создание внутренне безопасной системы накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах с помощью градиентно-слоистых керамизируемых силиконовых пен» (Constructing Intrinsically Safe Lithium-Ion Battery Energy Storage via Gradient-Laminated Ceramifiable Silicone Foams). Исследование возглавляли профессор Конглинг Ши из Китайской академии наук безопасности производства и профессор Лайбинь Чжан из Университета нефти Китая (Пекин), соавторами выступили Шуйлай Цю и Цзинъяо Сюй.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
