Порошковое покрытие против краски: подробное сравнение
Один из лучших способов защитить листовой металл от атмосферных воздействий — это придать ему цвет с помощью краски или порошкового…
Тепловой разгон — критическая проблема в электронике, особенно в аккумуляторных технологиях, когда перегрев может привести к катастрофическим отказам. В литий-ионных батареях этот феномен возникает, когда элемент входит в неконтролируемое, самонагревающееся состояние.
Для решения этой задачи исследователи и компании сосредотачивают внимание на передовых материалах, таких как смолы и металлы, способных снизить последствия теплового разгона.
Тепловой разгон — это быстрый процесс самонагрева в элементе, вызванный экзотермическими реакциями внутри его материалов, что приводит к высвобождению накопленной химической энергии. Хотя его могут спровоцировать механические деформации, перезаряд или короткие замыкания, основной причиной теплового разгона является перегрев.
Перегрев возникает из-за отказа системы охлаждения, воздействия высоких внешних температур или чрезмерного джоулева нагрева, вызванного увеличением внутреннего сопротивления по мере старения. Литий-ионные батареи особенно подвержены тепловому разгону.
В этих батареях при температуре около 80 °C разлагается и разрушается слой твёрдого электролитного интерфейса, сопровождаемый экзотермической реакцией. Когда температура достигает 120–130 °C, плавится сепаратор, вызывая внутренние короткие замыкания и дальнейшее выделение тепла. При 130–150 °C катод разрушается в результате ещё одной экзотермической химической реакции с электролитом, при этом выделяется дополнительный кислород.
В диапазоне 150–180 °C выделение кислорода может спровоцировать самоподдерживающееся горение, приводящее к тепловому разгону. Этот процесс может сопровождаться появлением дыма, огня, взрывами, выбросом газа, частиц и осколков. Поэтому в современных исследованиях изучаются стратегии предотвращения, в том числе использование смол и металлов для повышения безопасности и надёжности устройств с батарейным питанием.
Смолы ценятся за свои отличные изоляционные свойства, благодаря которым они эффективно препятствуют передаче тепла и защищают чувствительные компоненты в электронных устройствах и аккумуляторах. Многие смолы, такие как эпоксидные, обладают высокой термостойкостью, позволяя сохранять структурную целостность при повышенных температурах. Эпоксидные смолы выдерживают температуры до 150–200 °C.
Эти материалы применяются в качестве покрытий или для инкапсуляции, защищая электронику от термических повреждений. Их устойчивость к термическому разрушению делает смолы идеальными для управления тепловыми нагрузками в критически важных областях. Кроме того, некоторые смолы могут быть разработаны так, чтобы при нагреве минимально расширяться или разрушаться, что повышает их долговечность в условиях высоких температур.
Например, компания SABIC разработала смолу Stamax 30YH570, армированный сополимер с 30 % стекловолокна, предназначенный для защиты от теплового разгона в аккумуляторах электромобилей. При испытаниях по стандарту UL 2596 смола выдержала внутренние температуры до 420 °C.
Аналогично, компания Polyplastics Co. Ltd. представила Durafide polyphenylene sulfide (PPS) 6150T73 — материал с выдающейся термостойкостью и высокими электрическими и тепловыми изоляционными свойствами, разработанный для предотвращения теплового разгона в литий-ионных аккумуляторах электромобилей. Смола сохраняет изоляционные свойства даже после воздействия температур до 1 000 °C (1 832 °F) в течение 30 минут.
Компании, такие как Amco Polymers, разрабатывают современные рецептуры смол для улучшения огнестойкости и термической стабильности. В их ассортимент входят такие материалы, как жидкокристаллические полимеры, полифениленсульфид, полисульфон и полиэфирсульфон — все они обладают отличной термостойкостью, высокой температурой прогиба под нагрузкой 260–270 °C, хорошей термической стабильностью и очень низким коэффициентом теплового расширения.
К основным ограничениям смол относят склонность к разрушению при высоких температурах, что может снизить их эффективность в критических применениях. Для решения этой проблемы ведутся исследования по созданию жаропрочных смол с улучшенной термической стабильностью.
Металлы широко применяются для управления теплом благодаря высокой теплопроводности, обеспечивающей эффективную передачу и рассеивание тепла от чувствительных компонентов. Эта характеристика делает металлы, такие как алюминий, медь и различные сплавы, идеальными для предотвращения накопления тепла, образования горячих точек и риска теплового разгона в батареях и электронных устройствах.
Быстрое рассеивание тепла с помощью металлов способствует поддержанию стабильных рабочих условий, увеличивая срок службы и безопасность электронных устройств. Различные металлы и их сплавы обеспечивают разнообразные уровни тепловых характеристик для конкретных задач.
Например, в исследовании, опубликованном в журнале Crystals, описано создание и производство высокоэффективных гиперэвтектических алюминиево-кремниевых (Al-Si) сплавов методом порошковой металлургии.
Система Al-Si сочетает благоприятный коэффициент теплового расширения с высокой теплопроводностью, что делает её востребованной в отраслях, где важен тепловой менеджмент, таких как электроника и электромобили. Эти сплавы особенно полезны в качестве конструкционных радиаторов, требующих надёжности при термоциклировании, а также в отражающей оптике и приборах, где важна механическая и термическая стабильность.
Хотя металлы эффективны в тепловом менеджменте, они подвержены таким проблемам, как коррозия и тепловое расширение. Коррозия может со временем ухудшать тепловые свойства металла, снижая его эффективность.
Кроме того, температурное расширение и сжатие могут вызывать структурные напряжения. Для повышения долговечности и надёжности металлов в тепловых применениях разрабатываются специальные решения.
Сравнительный анализ смол и металлов выявляет их преимущества в управлении теплом и предотвращении теплового разгона. Ключевыми факторами при выборе наиболее подходящего материала для конкретных задач являются термостойкость, масса и простота применения.
Органические карбонатные растворители являются наиболее воспламеняемыми компонентами электролитов. Добавление антипиренов в органические электролиты может снизить этот риск. Например, оболочка из поли(винилиденфторида-гексафторпропилена) (PVDF-HFP) с сердечником из трифенилфосфата (TPP) используется для повышения безопасности.
Когда температура батареи чрезмерно повышается, оболочка PVDF-HFP плавится, позволяя сердечнику TPP смешиваться с электролитом и предотвращать возгорание. Твердые электролиты, которые невоспламеняемы, практически не имеют утечек и обладают длительным сроком службы, ещё больше повышают безопасность литий-ионных батарей по сравнению с жидкими электролитами.
Поли(метилметакрилат) (PMMA) и PVDF-HFP могут использоваться в качестве твердых электролитов. Кроме того, MXene Ti3C2Tz с адаптированной поверхностью может повысить безопасность аккумуляторов, поддерживая аноды с большей ёмкостью и меньшим рабочим потенциалом, что делает его перспективным материалом для современных энергетических накопителей.
В исследовании, опубликованном в Cell Reports Physical Science, был рассмотрен токосъемник из металлизированного полимера, способный отключать внутренние короткие замыкания, выходя из зоны нагрева. В испытаниях на элементах 18650 такой токосъемник снизил риск теплового разгона при прокалывании гвоздём, а также обеспечил более низкие производственные издержки и массу.
В частности, элементы с токосъёмниками из полимера с алюминиевым покрытием успешно предотвратили тепловой разгон при проколе гвоздём, сохранив напряжение выше 4 В, тогда как стандартные элементы с алюминиевыми токосъемниками всегда подвергались тепловому разгону.
Смолы идеально подходят для применения, где требуется высокая термостойкость и устойчивость к коррозии, в то время как металлы оптимальны для задач с высокими требованиями к теплопроводности и эффективному рассеянию тепла.
В областях, где важна минимальная масса, например, в электромобилях, смолы выигрывают за счёт меньшего веса по сравнению с металлами, такими как алюминий. Кроме того, смолы проще в обработке, тогда как металлы часто требуют более сложных производственных процессов.
Выбор между смолами и металлами для предотвращения теплового разгона определяется требованиями к теплопроводности, массе и простоте обработки. Смолы идеально подходят для легких, коррозионностойких решений, а металлы предпочтительнее там, где важна высокая теплопроводность и рассеяние тепла.
Во многих случаях наилучший результат достигается с помощью гибридных решений, сочетающих преимущества обеих групп материалов, что позволяет повысить безопасность и эффективность за счёт использования уникальных сильных сторон каждого из них.
