Pianka, która zamienia się w ceramikę. Chiński sposób na bezpieczne magazyny energii
Naukowcy z Chin opracowali innowacyjny kompozyt w postaci gradientowo-laminowanej, ceramicznej pianki silikonowej, która w warunkach pożaru przekształca się w gęstą barierę ceramiczną. Podczas testów laboratoryjnych nowy materiał zdołał całkowicie zablokować kaskadowe rozprzestrzenianie się ucieczki termicznej w module składającym się z ogniw litowo-jonowych. Czy to odkrycie możemy dziś nazywać kamieniem milowym w walce z jednym z największych zagrożeń bezpieczeństwa w wielkoskalowych systemach magazynowania energii?
Od elastycznej pianki do twardej ceramiki
Ucieczka termiczna to niebezpieczna reakcja łańcuchowa, w której uszkodzenie jednego ogniwa wywołuje natychmiastową awarię kolejnych elementów modułu. Gazy wyrzucane podczas takiego zdarzenia osiągają temperaturę od 800°C do nawet 1200°C, a ich prędkość przekracza 200 metrów na sekundę. Klasyczne materiały izolacyjne zawodzą w tak ekstremalnych warunkach – tradycyjne pianki organiczne kurczą się i niszczeją już powyżej 300°C, z kolei materiały z włókien nieorganicznych są rozrywane przez pędzący pod wysokim ciśnieniem strumień gazu.
Nowy kompozyt, opracowany wspólnie przez badaczy z Chińskiego Uniwersytetu Naftowego w Pekinie oraz Chińskiej Akademii Nauk o Bezpieczeństwie i Higienie Pracy, skutecznie eliminuje obie te wady. Materiał łączy matrycę z pianki polidimetylosiloksanowej z zatopionym szkieletem z tkaniny z włókna szklanego oraz wieloskładnikowym systemem wypełniaczy, w tym polifosforanem amonu, boranem cynku, kaolinem i aerożelem krzemionkowym.
W normalnych warunkach operacyjnych kompozyt pozostaje miękki, elastyczny i zachowuje stabilne właściwości mechaniczne w szerokim zakresie temperatur od minus 40°C do 300°C. Wytrzymuje również próbę czasu (zachowuje 93% naprężenia szczątkowego po przejściu 1000 cykli ściskania). Prawdziwa magia dzieje się jednak pod wpływem ognia. Wtedy aktywuje się wieloetapowy proces ceramizacji: środki ogniochronne uwalniają gazy obojętne i stymulują powstawanie zwęglonej warstwy ochronnej, natomiast kaolin i aerożel krzemionkowy przechodzą proces spiekania w fazie ciekłej powyżej 600°C. W ten sposób tworzą gęstą barierę ceramiczną. Zatopiona wewnątrz tkanina z włókna szklanego chroni strukturę przed przebiciem przez gaz pod wysokim ciśnieniem.
Ekstremalne testy ogniowe i spektakularne wyniki w modułach
Podczas specjalistycznych badań kalorymetrycznych kompozyt zmniejszył całkowite wydzielanie ciepła o 54,4%, a emisję dymu aż o 87,9% w porównaniu do zwykłej pianki silikonowej. Poddany działaniu płomienia z palnika butanowego o temperaturze około 1100°C, materiał zachował integralność strukturalną przez ponad 30 minut, podczas gdy temperatura na jego tylnej powierzchni ustabilizowała się na bezpiecznym poziomie 97,1°C. Przewodność cieplna wyniosła zaledwie 0,046 W/(m·K) – to o połowę mniej niż w przypadku czystej pianki. Materiał uzyskał też najwyższą klasę palności UL-94 V-0.
Test przeprowadzono na działającym module z trzema komercyjnymi, pryzmatycznymi ogniwami o pojemności 37 Ah. W konfiguracji bez żadnej izolacji ucieczka termiczna jednego ogniwa w ciągu kilku sekund niszczyła cały moduł. Zastosowanie tradycyjnej pianki silikonowej o grubości 3 mm jedynie nieznacznie opóźniło ten proces. Dopiero użycie 3 mm nowego kompozytu ceramicznego pozwoliło na całkowite odizolowanie pożaru – sąsiednie ogniwo rozgrzało się na powierzchni tylko do 167,1°C i nie przekroczyło progu krytycznego.
Całkowita strata masy modułu zabezpieczonego nowym materiałem wyniosła 255,4 grama, podczas gdy przy zwykłej piance było to aż 796,3 grama. Wyniki te jednoznacznie potwierdzają, że awarię udało się zamknąć w obrębie jednego, startowego ogniwa. Dla porównania, komercyjne maty aerożelowe również zatrzymały pożar, ale sąsiednie ogniwo rozgrzało się przy nich mocniej – do 181,1°C. Co istotne, profil o grubości zaledwie 3 mm pozwala zachować wysoką gęstość energetyczną magazynów, a sama technologia produkcji kompozytu jest w pełni kompatybilna z masowym, przemysłowym procesem wytwarzania typu roll-to-roll.
To odkrycie ma pełne prawo być nazywane kamieniem milowym w walce z ucieczką termiczną, czyli jednym z najpoważniejszych zagrożeń dla bezpieczeństwa wielkoskalowych magazynów energii. Dotychczas stosowane na rynku izolacje pasywne masowo zawodziły. Tradycyjne pianki organiczne ulegały stopieniu, a maty włókniste były rozrywane przez gazy pożarowe pędzące z prędkością ponad 200 m/s. Nowy chiński kompozyt dzięki zintegrowanemu szkieletowi z włókna szklanego i technologii ceramizacji jako jeden z pierwszych skutecznie rozwiązuje oba te problemy jednocześnie.