Elektrikli Araç Yangınlarını Söndürmeyi Bu Kadar Zor Kılan Nedir? [Video]

Elektrikli araçlar sık ​​sık alev almaz, ancak tutuştuklarında işler alev alır. baharatlı. Bu yangınlar nasıl çıkıyor? Ve onları söndürmek neden bu kadar zor? Bu soruları cevaplamaya çalışan bilim adamları var, ancak bir lityum iyon pil tutuştuğunda gerçekte ne olduğunu (kimyasal olarak) anlamaya çalışan bilim adamları da var. Neler olduğunu tam olarak anlamadan bu sorunu çözebilir miyiz?

Video Metni:

Elektrikli araçlar sık ​​sık değil, yaparlar, işler kızışır.

(korkak müzik)

(yabancı dilde konuşan muhabir)

Bu yangını söndürmek için 6.000 galon su gerekti. Ve bu neredeyse 20.000 aldı.

Peki, bu yangınlar nasıl çıkıyor ve söndürülmesi neden bu kadar zor?

Bunu anlamak için bu dokuz voltun içine bakarak başlayabiliriz. pil.

Dokuz voltun tek bir pil olmadığı ortaya çıktı. Aslında altı pil. Bu ayrı ayrı pillere hücre denir ve bir EV pili aynıdır.

Bunun veya bunun gibi yüzlerce veya binlerce hücreden veya herhangi bir nedenle internetten satın alamadığım daha büyük pillerden yapılmıştır.

Bunun gibi bir pil yangını, termal kaçak adı verilen kimyasal bir işlemle tek bir hücrede başlar. Elimizde bu olayın saniyede binlerce kare hızla çekilen x-ray görüntüleri var.

Bu, buna benzer bir hücrenin tepesi. En iyi şey. Çelik dış kasa. Parlak çizgiler metal oksitler ve bakırdır. Koyu renkli kısımlar plastik ve alüminyumdur.

Tamam, daha da yavaş çalışan pilin yakın çekim görüntüsü.

Yani burada doğrudan göremediğiniz gaz birikiyor, ancak dahili bileşenleri kaydırıyor.

Tam buradaki şey, bu bir basınç tahliye vanası ve şu anda yırtılıyor, bu da basıncı tahliye ederek bir patlamayı önlemeli, ama buna dikkat edin.{4 }

Gaz birikmesi, pilin dahili bileşenlerini yukarı doğru iterek valfi bloke eder.

Havalandırılacak hiçbir yer olmadığından, gittikçe daha fazla gaz birikmeye devam eder ve her şey gittikçe daha fazla ısınır ve bu da çeliği gerer. dış kasayı kırılma noktasına gelene kadar kırın ve bir patlama elde edin.

Sonrası bu. Tam bir yıkım.

Bu beyaz küreler, bu erimiş bakır. Bakır 1.085 santigrat derecede erir, bu nedenle bu pilin içinde demirhane kadar yüksek sıcaklıklara sahipsiniz.

Artık, bir hücre termal olarak kaçarsa çevredeki hücreleri aşırı derecede ısıtabilir. onlar da öyle ve bir zincirleme reaksiyon oluyor ve çevredeki daha da fazla hücreye yayılıyor ve çok geçmeden büyük bir pil yangını çıkıyor.

Çözmeye çalışan bilim insanı ve mühendis grupları var. Bu sorun, ancak bir lityum pil tutuştuğunda gerçekte kimyasal olarak neler olduğunu anlamaya çalışan bilim adamları da var. Çünkü üzerinden birkaç on yıl geçmesine rağmen henüz tam olarak anlayamadık.

Peki, ne biliyoruz ve neler olup bittiğini tam olarak anlamadan bu sorunu çözebilir miyiz?

(korkunç) müzik)

Burada, “Reactions”ta, sponsorumuzun bu sözünden sonra öğreneceğiz.

Bunu evde yapmayın. Ben bir profesyonelim.

(eğlenceli müzik)

Buna jelly roll denir.

Bu anottur ve elektronları serbest bırakır.

Bu katottur ve onları soğurur.

Bu ikisini birbiriyle doğrudan temas ettirirseniz, bir kıvılcım elde edersiniz, elektronlar doğrudan buradan buraya sıçrar. Ancak bu katmanları elektriksel olarak yalıtkan bir katmanla ayırırsanız ve bir çift iletken katman aracılığıyla elektronlar için bir yol sağlarsanız, elektronları pilden çekip tekrar pile dönmeden önce sizin için bazı işler yapmalarını sağlayabilirsiniz.{ 4}

Şimdi, elektriksel olarak yalıtkan katmana ayırıcı denir ve termal kaçakları anlamanın anahtarıdır.

Elektriksel olarak yalıtkandır, ancak kimyasal olarak iletkendir, yani elektronlar içinden geçemez, ancak lityum iyonları geçebilir .

Bunu bir saniyeliğine algılayın.

Elektronlar, sıfır hacme sahip, nokta benzeri parçacıklardır.Kesinlikle bakmalısın. Ve pek çok deliği olan bir plastik parçası onları engelliyor.

Ancak iyonlar çok daha büyük ve hacimleri var, çizdiğim bu son derece doğru şemadan da görebileceğiniz gibi ve doğrudan geçebilirler.

Neler oluyor?

Aslında bunun boyutla hiçbir ilgisi yok.

Elektronlar, malzemeler arasında kendi başlarına hareket edemeyecek kadar reaktiftir. Bir yola ihtiyaçları vardır ve metaller gibi iletken malzemelerin, tam olarak bu yolu oluşturan pek çok erişilebilir boş yörüngesi vardır.

Plastiklerin buna ihtiyacı yoktur.

Yani, bir plastik parçasındaki delikler bir elektrondan çok daha büyük olduklarından, bu deliklerin etrafında veya içinden geçen iletken bir yol yoktur.

Öte yandan, iyonların bir yola ihtiyaçları yoktur. Öylece içinden geçebilirler.

Yani, her neyse, ayırıcı plastikten yapılmıştır.

Şimdi, bu küçük hücrenin bir EV’de vızıldadığını varsayalım ve bir nedenden dolayı , hücre aşırı ısınmaya başlar.

Hücre içindeki sıcaklık yaklaşık 130 santigrat dereceye ulaştığında ayırıcı erir, bu da anot ve katodun doğrudan temas etmesi ve bir kıvılcım oluşması anlamına gelir.

{2 }Buna dahili kısa devre veya ISC denir.

Burada kısa bir not. Pek çok şey dahili bir kısa devreye neden olabilir.

Örneğin, pile bir çivi çakarsanız veya şarj cihazı arızalanırsa ve pili aşırı şarj ederse ya da pili aşırı ısıtırsanız veya üretim kusurları varsa.{ 1}

Ne? İade edeceksem bunu tekrar bir araya getirmeliyim.

Tamam, yani tam bir kimyasal küme (bip) oluşturan bir şey tasarlamak istiyorsanız, ISC’den yeni geçmiş bir pil mükemmel bir yoldur

Elektron vermeye veya kabul etmeye eğilimli bir grup metal ve metal oksit var. Bu yüzden başlamak için pilin içindeler. Orada katılarınız var, ama aynı zamanda sıvılarınız da var. Yüksek sıcaklıklara sahipsiniz, bu da sıvıların gaza dönüşme eğiliminde olduğu anlamına gelir.

Yani artık maddenin plazma hariç her aşamasına sahibiz.

Sizde, ısıyı yükselten bir sürü şey var. daha yüksek sıcaklıklarda ayrışmaya başlar. Örneğin, metal oksitler ısıtıldığında oksijen gazı salma eğilimindedir.

Bu oksijen, yanma reaksiyonlarını etkinleştirir. Artık bu sıvılar ve gazlar yanabilir, bu da daha fazla ısı ve daha fazla gaz üretir.

Bu arada, EV yangınlarının söndürülmesinin bu kadar zor olmasının nedeni budur. Piller, benzinden çok daha az enerji yoğun olmasına rağmen, yandıklarında kendi oksijenlerini üretirler.

Benzin bunu yapmaz.

Yani, sıcaklık yeterince yüksek olduğu sürece piller sıcaklığı bunun gerçekleşemeyeceği bir noktaya getirmek için binlerce galon su kullanmadığınız sürece yeniden yakmaya devam edin.

Bütün bu durum, elektriği ileten bir ortamda gerçekleşmektedir, bu da onu daha da zorlaştırmaktadır. elektronları ve buna bağlı olarak reaksiyonları takip edin.

Yani, temelde, tam ve eksiksiz bir kimyasal küme, öyle ki, meydana gelen kimyasal reaksiyonları listeleyen tüm dergi makalelerinin olduğu noktaya kadar keşfettik

Demek sorunun can alıcı noktası burası. Termal kaçışa neden olan tüm kimyayı çözmek gerçekten zor. Bu yüzden, onu durdurmanın kimya merkezli bir yolunu bulmak zor.

Ayrıca, pil teknolojisi o kadar hızlı değişiyor ki, örneğin bu tür bir pilde olup biten her şeyi tamamen çözebilseniz bile, siz bunu yaptığınızda, endüstri farklı bir katot veya ayırıcı malzemeye sahip bir pile geçmiş durumda.

Bütün bunlara rağmen, termal kaçak hakkında gerçekten ilginç bazı şeyler söyleyebiliriz. mühendisimiz buna karşı.

Pekala, size kolaylık olması için büyüttüğüm bu grafiğe bakın, bir pilin sıcaklığının zamana karşı grafiği.

Gördüğünüz gibi, yavaş yavaş oluyor ve sonra hepsi birden. Şimdi, hepsi bir anda burada bitiyor, bu ana termal kaçak olayı.

Bunun ne kadar hızlı olduğuna bakın. Sıcaklık yaklaşık bir saniye içinde zirveye ulaşır.

Şimdi, buradaki hız bize bu reaksiyonlar hakkında gerçekten önemli bir şey söylüyor ve bunun ne olduğunu anlamak için kabartma tozu ile oda sıcaklığındaki sirkeyi karıştırmamız gerekiyor. ve ayrıca 57 santigrat derecede sirke ile.

Sıcak sirke çok daha hızlı reaksiyona girdi ve daha önce bir şeyler pişirdiyseniz bu mantıklı. Tava ne kadar sıcaksa o kadar hızlı pişer.

1800’lerde yaşayan İsveçli bir kimyager olan Svante Arrhenius, bir reaksiyonun daha yüksek sıcaklıklarda tam olarak ne kadar hızlı ilerleyeceğini tahmin etmek için bir model geliştirdi ve işte bu, sadece bir denklem.

Önemli olan şeyler, reaksiyonun hızı olarak düşünebileceğiniz K ve burada üs, yani Kelvin cinsinden sıcaklık olan T’dir.

Şimdi, Bir oda sıcaklığına karşılık gelen 298 Kelvin’deki bir reaksiyonun hızını, yaklaşık sıcak sirkenin sıcaklığı olan 330 Kelvin’deki hız ile karşılaştırmak istediğimizi varsayalım.

Yaptığımız şey şu: bir hız sabitini diğerine böleriz ve bu denklemde yerine koyduğunuzda, bu karışıklığı elde edersiniz ve bunu temizleyip bazı terimleri yeniden düzenlediğinizde, bunu elde edersiniz.

Şimdi, aktivasyon enerjisi diyelim sadece reaksiyonun gitmesi için gereken enerji olan mol başına 150 kilojoule’dür.Bunu ekleyin, bu sayıları sıkıştırın ve 350 elde edin. Hızların oranı 350’dir.

Başka bir deyişle, buradaki sıcaklığı yalnızca yaklaşık 30 Kelvin, kabaca %10 artırdık, ancak reaksiyon 350 kat daha hızlı gerçekleşir ve bunun nedeni üs içindeki sıcaklıktır.

Sıcaklığı doğrusal olarak artırdığınızda, hız üstel olarak artma eğilimindedir.

Şimdi, burada çılgın bir kırışıklık var.{1 }

Bir tepki verdiğinizde ne olur? Kahretsin.

Bir tepki verdiğinizde ne olur?

Bir tepki verdiğinizde?

Bu sadece boş mu?

{ 2}Hayır.

Pek çok.

Bir tepkime meydana geldiğinde ne olur?

(bip)

Bir miktar ısı?{ 1}

Arrhenius ouroboros dediğim şeyi elde edersiniz.

Reaksiyon, sıcaklığı artıran ısı verir. Sıcaklıktaki artış, reaksiyonun daha hızlı gittiği, yani daha hızlı ısı verdiği, bu da sıcaklığın daha hızlı arttığı, yani daha hızlı olduğu, yani daha hızlı ısı verdiği, yani sıcaklığın daha hızlı arttığı anlamına gelir. bu da daha da hızlandığı anlamına gelir.

Bu, pozitif bir geri besleme döngüsüdür ve özellikle, pildeki sıcaklığı yarım dakikada 200’den bin derecenin üzerine çıkarabilen üstel bir pozitif geri besleme döngüsüdür. ikincisi, ve siz…

(korkak müzik)

(yabancı dilde konuşan muhabir)

Bu arada, bu ısı dağılıyor ve aslında artan sıcaklıkla daha hızlı dağılır, ancak bu ilişki doğrusaldır.

Tepkime hızındaki üstel artış, ısı dağılımındaki doğrusal artışı büyük ölçüde bastırır.

Lityum iyonun ilk günlerinde, bilim adamları biliyordu şu anda bildiklerinden çok daha azını biliyorlar ve yine de tam olarak anlamadıkları sorunlara çözümler üretmeyi başarıyorlar.

Nasıl?

Bazen çözümler açıktır, değil mi? altta yatan kimyaya bağlıdır ve yapılması kolaydır.

Piller, yüksek basınç nedeniyle patlıyor. Pekala, bir basınç tahliye vanası yapalım.

Bazen çözümler teoride açıktır, ancak kimyası zordur.

Ayrıştırıcılar eriyor mu?

Hadi, daha yüksek erime noktası.

Söylemesi yapmaktan daha kolay. Diğer özellikleri değiştirmeden erime noktasını değiştirmek çok fazla deneme yanılma gerektiriyor, ancak ilerleme kaydediyoruz. Bugün ayırıcılar eskisinden çok daha yüksek sıcaklıklarda erimektedir.

Bazen en kolay, en bariz çözüm sorunu her zaman çözmez.

Başlangıçta bundan bahsettiğimizi unutmayın. Röntgen kaydı mı?

Bu basınç tahliye vanasının tam olarak olması gerektiği gibi çalışmasına rağmen, pil yine de patladı.

Bazen çözüm, kimyanın üzerinde bir teknoloji katmanı içerir.

Yazılım pil denetleyicileri, şarj durumu ve pil sıcaklığı gibi şeyleri izler ve örneğin, işler biraz fazla ısınmaya başladığında pili kapatır.

Bazen çözüm, tüm pili atmayı ve tamamen farklı bir iyonla, örneğin sodyumla tamamen yeni bir tane tasarlamak.

Sodyum iyon piller için test edilen bir katot malzemesi, lityum iyon pillerdeki benzer katotlara kıyasla ısıtıldığında çok daha az oksijen salan sodyum kromittir. .

Daha az oksijen, daha az yanma anlamına gelir, bu da daha az ısı, yani daha az kap anlamına gelir termal kaçak için gerekli.

Ve gerçekten anlamadığımız nedenlerden dolayı, termal kaçak geçiren sodyum iyon piller enerjilerini çok daha yavaş serbest bırakma eğilimindedir.

Bir çalışma, sodyum pile kıyasla tipik bir lityum pilin sıcaklık artışı ve lityum pilin sodyum pilden neredeyse dört kat daha hızlı ısındığı bulundu.

Bu, pildeki diğer güvenlik özelliklerinin devreye girmesi için çok daha fazla zaman sağlar. ve bir patlamayı önler.

Bu çözümlerin çoğu, basınç tahliye vanaları, ayırıcılar, farklı katot malzemeleri, termal kaçak sırasında meydana gelen her bir kimyasal reaksiyon hakkında tam bilgi gerektirmez.

Tümü anlamak isterler, ah, ayırıcının erimesi? Pekala, olmayan bir tane tasarlamalıyız. Katot oksijen mi salıyor? Olmayan bir tane tasarlamalıyız.

Bu videodaki gibi, bu sorunları anlamadan önce çözebiliriz.

Bunu nasıl bitireceğimizi gerçekten anlamıyorum. ama konuşmaya devam edersem ve jeneriği uygun gördüğü zaman bitirme işini Andrew’a bırakırsam bu sorunu çözebiliriz, ki bu şimdi olabilir, ya da şimdi olabilir ya da olabilir.

.