جامعة البترول الصينية وغيرها تطور مادة رغوية مركبة قابلة للتسيراميك لكبح الانفلات الحراري للبطاريات

أخبار ar.wedoany.com، طور باحثون من جامعة البترول الصينية (بكين) وأكاديمية الصين لعلوم السلامة والإنتاج مادة مركبة من رغوة السيليكون القابلة للتسيراميك والمصفوفة بطريقة الترقق التدرجي، والتي يمكنها منع الانهيار المتسلسل بفعالية عند حدوث انفلات حراري في أنظمة تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون. تولد هذه المادة حاجزًا سيراميكيًا كثيفًا عند درجات الحرارة المرتفعة من خلال نظام حشو متعدد المقاييس، مع مقاومة صدمات نفاثات الغاز ذات الضغط ودرجة الحرارة العاليين.

يُعد انتشار الانفلات الحراري خطرًا رئيسيًا على السلامة في أنظمة تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون على نطاق المرافق. يمكن أن تصل درجة حرارة قلب نفاثات الغاز المنبعثة أثناء الانفلات الحراري إلى 800 درجة مئوية إلى 1,200 درجة مئوية، وتتجاوز سرعة القذف 200 متر في الثانية. تفشل مواد العزل السلبي التقليدية تحت هذه الظروف، حيث تنهار الرغوات العضوية عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية، وتتفكك المواد الليفية غير العضوية تحت تأثير النفاثات عالية السرعة.

تستخدم المادة المركبة التي طورها فريق البحث رغوة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان كمصفوفة، مع هيكل داعم من نسيج الألياف الزجاجية، وإضافة نظام حشو متعدد المقاييس يشمل بولي فوسفات الأمونيوم، وبورات الزنك، والكاولين، وهلام السيليكا الهوائي. في ظروف التشغيل العادية، تحتفظ المادة بمرونتها، وتحافظ على استقرار خواصها الميكانيكية في نطاق درجات حرارة يتراوح بين -40 درجة مئوية و300 درجة مئوية، وتحتفظ بنسبة 93% من الإجهاد المتبقي بعد 1,000 دورة ضغط. عند التعرض للهب، تبدأ الحشوات عملية تسيراميك متعددة الخطوات: تطلق مثبطات اللهب غازات خاملة وتعزز تكوين الكربون، ويخضع الكاولين وهلام السيليكا الهوائي للتلبيد في الطور السائل عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية، مما يولد حاجزًا سيراميكيًا كثيفًا. حتى في حالة تلف سطح الرغوة، لا يزال نسيج الألياف الزجاجية المدمج يقاوم ثقب نفاثات الغاز عالية الضغط.

في اختبارات المسعر المخروطي، أظهرت المادة المركبة انخفاضًا بنسبة 54.4% في إجمالي إطلاق الحرارة، وانخفاضًا بنسبة 87.9% في إنتاج الدخان مقارنة برغوة السيليكون العادية. تحت لهب البيوتان عند حوالي 1,100 درجة مئوية، حافظت المادة على سلامتها الهيكلية لأكثر من 30 دقيقة، واستقرت درجة حرارة السطح الخلفي عند 97.1 درجة مئوية. بلغ معامل التوصيل الحراري المقاس 0.046 واط/(م·ك)، وهو أقل بنحو 50% من رغوة السيليكون غير المعدلة. وصل مؤشر الأكسجين الحدي للمادة إلى 33.5%، وحصلت على تصنيف مقاومة اللهب UL-94 V-0.

أُجري تقييم أداء وحدة البطارية باستخدام ثلاث بطاريات تجارية منشورية بسعة 37 أمبير/ساعة في تكوين ثلاثي خاضع للتحكم. بدون عزل، انتشر الانفلات الحراري بالكامل عبر البطاريات الثلاث في غضون ثوانٍ من بدايته في البطارية الأولى. عند استخدام رغوة سيليكون عادية بسمك 3 مم، تأخر الانتشار لكنه لم يُمنع. عند استخدام المادة المركبة القابلة للتسيراميك بسمك 3 مم، حُصر الانفلات الحراري في البطارية المحفزة، ووصلت درجة حرارة السطح الأمامي للبطاريات المجاورة إلى 167.1 درجة مئوية لكنها لم تتجاوز عتبة الانفلات.

بلغ إجمالي فقدان الكتلة في اختبار المادة المركبة القابلة للتسيراميك 255.4 جرامًا، مقارنة بـ 796.3 جرامًا في اختبار رغوة السيليكون العادية، وهو ما يتوافق مع نتائج اختبار البطارية المفردة المحدودة. في اختبار مقارن مستقل أجراه نفس الفريق البحثي، تحقق أيضًا حصر البطارية المفردة باستخدام حصيرة هلام هوائي تجارية، لكن درجة حرارة السطح الأمامي للبطاريات المجاورة كانت أعلى قليلاً عند 181.1 درجة مئوية. تشير الورقة البحثية إلى أن سمك المادة المركبة البالغ 3 مم يحافظ على كثافة الطاقة الحجمية لوحدة البطارية، وأن عملية تصنيعها متوافقة مع الإنتاج الصناعي بنظام اللفة على اللفة.

نُشرت هذه الدراسة في الدورية الأكاديمية Nano-Micro Letters، تحت عنوان "بناء نظام تخزين طاقة بطاريات الليثيوم أيون آمن جوهريًا عبر رغوات السيليكون القابلة للتسيراميك والمصفوفة بالترقق التدرجي" (Constructing Intrinsically Safe Lithium-Ion Battery Energy Storage via Gradient-Laminated Ceramifiable Silicone Foams). قاد البحث البروفيسور كونغلينغ شي من أكاديمية الصين لعلوم السلامة والإنتاج والبروفيسور لايبين تشانغ من جامعة البترول الصينية (بكين)، وشارك في التأليف كل من شويلاي تشيو وتشينغياو شو.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com