211service.com
Är litiumjonelbilar säkra?
Bärbara datorer utrustade med litiumjonbatterier överhettas ibland och tar eld. Detta har gjort vissa människor oroade över användningen av denna typ av batteri i nya elektriska sportbilar och byggsatser för att konvertera konventionella bilar och hybridfordon till helelektriska bilar.
Det är en spännande tid för elfordon – med regelbundna meddelanden om ökad lagringskapacitet för batterimaterial (se Batterigenombrott ) och exotiska, dyra fordon som kommer ut på marknaden, som den nyligen tillkännagivna sportbilen från Tesla Motors från San Carlos, CA. Men elfordon har misslyckats tidigare. Om de ska lyckas den här gången måste de vinna över den allmänna konsumenten, och det kommer bland annat att innebära att visa att de kraftfulla batteripaketen är säkra.
Litiumjonbatterier har länge varit gynnade för att driva bärbara datorer och mobiltelefoner eftersom de är små och lätta. Men att packa så mycket energi på ett litet utrymme är också farligt. Batterierna har varit kända för att brinna i lågor, ibland våldsamt; och eftersom både bränslet och oxidationsmedlet är buntade in i batteriet, kan de inte kvävas som vanliga bränder, säger Dan Doughty, som leder litiumjonbatteritestning vid Sandia National Laboratories i Albuquerque, NM.
De viktigaste säkerhetsutmaningarna är att förhindra överladdning, överhettning och skador vid en olycka. I varje fall kan kemiska reaktioner komma utom kontroll, vilket kan orsaka termisk flykt, vilket kan generera temperaturer som är tillräckligt höga för att smälta aluminium och få batterier att explodera, säger han.
Enligt U.S. Consumer Products Safety Commission inträffade mellan 2003 och 2005 mer än 300 incidenter där litiumjonbatterier för bärbara datorer och mobiltelefoner överhettades eller fattade eld. Många av händelserna rörde personskador.
Detta potentiella problem med litiumjonbatterier multipliceras med tusentals i fordon. I fallet med Tesla Motors bil, till exempel, är nästan 7 000 batterier packade bakom kupén för att driva bilen (till imponerande 60 mph på cirka fyra sekunder).
Men företaget har gjort mycket för att hålla sitt batteridrivna system säkert – mycket mer än vad som görs i bärbara datorer, säger vd Martin Eberhard.
För att hålla temperaturerna under kontroll har Teslas ingenjörer utvecklat ett elektroniskt styrt vätskekylningssystem. De har också inkluderat överladdningsskydd, tre lager av säkringar och sensorer som kommer att utlösa batterierna vid höga temperaturer, en plötslig kollision eller en vältning. Faktum är att beslutet att använda många små batterier snarare än ett fåtal mycket stora var delvis ett säkerhetsövervägande – varje batteri och dess relativt lilla mängd lagrad energi jämfört med hela systemet är isolerat och skyddat i sitt eget stålhölje. Och hela systemet är också inkapslat för skydd i händelse av en olycka.
Mark Verbrugge, en batteriexpert vid GM:s forsknings- och utvecklingscenter i Warren, MI, säger att sådana säkerhetsåtgärder borde räcka för att hålla batterierna säkra. Ändå ligger en faktor utanför biltillverkarnas direkta kontroll. Det enda som verkligen oroar OEMs är att du inte kan kontrollera tillverkning av dålig kvalitet när det gäller säkerhet, säger han. Till exempel, säger Verbrugge, om två elektroder berörs eftersom den är dåligt tillverkad, har du ett problem.
En sådan intern kortslutning kan starta en okontrollerad kemisk reaktion, säger Sandia's Doughty och tillägger att om det finns ett fel i tillverkningen, och det har en intern kortslutning, finns det inget du kommer att göra externt för att avbryta den reaktionen. Sådana problem är sällsynta och förekommer i en av tio miljoner celler i bärbara datorer och annan elektronik, säger Doughty. Men, säger han, om det finns 7 000 celler, och det finns en av tio miljoner misslyckanden, räknar du ut hur många fordon som kommer att ha ett cellproblem.
Även om ett dåligt batteri gör det till ett fordon, kanske det inte är ett stort problem. Vi har designat den så att om du sträcker dig in i vårt batteripaket och avsiktligt tänder ett av batterierna i brand, så sprids det inte till närliggande celler, säger Eberhard. Han ger två skäl: varje batteri kommer i en stållåda och ett vätskekylningssystem kan bära bort överskottsvärmen.
Ändå säger Doughty att han under tester har sett våldsamma explosioner av den typ som potentiellt kan spränga ett stålhölje. Om vätskekylningen också misslyckas, kan ett enstaka batteri orsaka att närliggande batterier överhettas, vilket sätter igång en kaskad av små explosioner. Doughty säger att elbilsföretag kanske kan konstruera system som är acceptabelt säkra, men han noterar att även om ingenjörer alltid har flera säkerhetslager, inträffar de värsta olyckorna när, på grund av en mycket sällsynt händelse, två eller flera av dessa flera lager är äventyrade.
Även om en sådan olycka är sällsynt kan det fortfarande finnas en motreaktion mot elfordon. Doughty är särskilt bekymrad över ombyggnadssatser för att vända konventionella fordon eller hybrider i litiumjonbaserade elbilar (se Plug-In Hybrids Are on the Way ). Det jag oroar mig för är att det en av dessa dagar kommer att finnas ett litiumjondrivet fordon som kommer att råka ut för en ganska spektakulär olycka – och vad ska folk då säga?
Experter har två viktiga rekommendationer för att gå vidare och producera ännu säkrare elfordon. För det första måste biltillverkare ha en mycket strikt screeningprocess för sina batteritillverkare, säger Verbrugge. Och i det långa loppet, säger Doughty, kommer det att vara viktigt att stödja forskning om nya högenergikemi för litiumjonbatterier som inte är benägna att överhettas.