Microscopic Simulation Study on the Coupled Failure of Key Components during Thermal Runaway of Lithium Iron Phosphate Batteries

आधुनिक ऊर्जा की दुनिया में, लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरियां नवीकरणीय शक्ति की ओर बदलाव के पीछे के शांत कार्यवाहक हैं। उन्हें इलेक्ट्रिक वाहनों और ग्रिड स्टोरेज के लिए इसलिए चुना जाता है क्योंकि वे किफायती हैं, लंबे समय तक चलती हैं, और अन्य प्रकार की रिचार्जेबल बैटरियों की तुलना में आम तौर पर अधिक सुरक्षित हैं। हालांकि, किसी भी जटिल मशीन की तरह, वे विफलता से मुक्त नहीं हैं। जब एक बैटरी बहुत अधिक गर्म हो जाती है, तो वह थर्मल रनवे (thermal runaway) नामक एक खतरनाक स्थिति में जा सकती है, जो एक स्व-त्वरित श्रृंखला अभिक्रिया है जहाँ गर्मी बाहर निकलने की क्षमता से अधिक तेजी से बढ़ती है, जिससे संभावित रूप से आग या विस्फोट हो सकता है। इस विनाशकारी घटना के होने से पहले, बैटरी के आंतरिक घटक सूक्ष्म तरीकों से टूटने लगते हैं। प्रत्येक सेल के भीतर, नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर एक सुरक्षात्मक त्वचा, धनात्मक और ऋणात्मक पक्षों को अलग रखने वाली एक छिद्रपूर्ण प्लास्टिक शीट और विद्युत आवेश ले जाने वाले एक तरल इलेक्ट्रोलाइट के बीच एक नाजुक संतुलन होता है। यह समझना कि ये तीनों भाग गर्म होने पर कैसे विफल होते हैं और कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, वास्तव में सुरक्षित बैटरी बनाने की कुंजी है।

चीन की स्टेट ग्रिड कंपनियों और नॉर्थ चाइना इलेक्ट्रिक पावर यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस सूक्ष्म दुनिया में गहराई से गोता लगाया है ताकि यह देख सकें कि जब ये घटक गर्मी के नीचे टूटने लगते हैं तो वास्तव में क्या होता है। भौतिक बैटरियां बनाने और उनके विफल होने का इंतजार करने के बजाय, जो कि खतरनाक और अनिश्चित हो सकता है, वैज्ञानिकों ने परमाणुओं की गति को देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने बढ़ते तापमान के तहत बैटरी की तीन महत्वपूर्ण परतों—सुरक्षात्मक त्वचा, सेपरेटर (separator), और तरल इलेक्ट्रोलाइट—के व्यवहार का मॉडल तैयार किया। उनका लक्ष्य घटनाओं के सटीक क्रम को मैप करना था, जो कमजोरी के पहले संकेत से लेकर उस क्षण तक है जब सिस्टम एक रनवे रिएक्शन में ढह जाता है।

अध्ययन की शुरुआत सुरक्षात्मक त्वचा को देखकर हुई, जिसे सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज (solid electrolyte interphase) कहा जाता है, जो बैटरी के नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह पर बनती है। यह परत कठोर, स्थिर खनिजों और नरम, कार्बनिक यौगिकों का एक मिश्रण है। शोधकर्ताओं ने इस त्वचा के डिजिटल मॉडल विभिन्न सामग्रियों के विभिन्न अनुपातों के साथ बनाए ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा मिश्रण सबसे स्थिर है। उन्होंने पाया कि इस परत की स्थिरता काफी हद तक कार्बनिक भागों की स्थानीय सांद्रता पर निर्भर करती है। जब कार्बनिक घटक, जो अनिवार्य रूप से कार्बन-आधारित अणु हैं, एक स्थान पर बहुत अधिक होते हैं, तो वे कमजोर कड़ी बन जाते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ये कार्बनिक अणु सबसे पहले टूटने लगते हैं, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड जैसी गैसें निकलती हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि लंबी कार्बन श्रृंखला वाले अणु या जो जोड़ों में जुड़े होते हैं, वे विशेष रूप से नाजुक होते हैं, और अपने सरल समकक्षों की तुलना में कम तापमान पर टूट जाते हैं। यह प्रारंभिक टूटना विफलता की श्रृंखला का पहला डोमिनो (पहला कदम) है, जो गर्मी और गैस के प्रसार के लिए एक मार्ग बनाता है।

इसके बाद, टीम ने सेपरेटर की जांच की, जो एक पतली प्लास्टिक शीट है जो भौतिक रूप से बैटरी के आंतरिक हिस्सों को आपस में टकराने से रोकती है। व्यावसायिक बैटरियों में, इस शीट पर अक्सर एक सिरेमिक सामग्री का लेप लगाया जाता है ताकि इसे मजबूत बनाया जा सके। शोधकर्ताओं ने सिम्युलेट किया कि एक साधारण प्लास्टिक शीट और एक सिरेमिक-लेपित शीट गर्म होने पर कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने पाया कि साधारण प्लास्टिक लगभग 400 केल्विन के आसपास अपना आकार खोने लगती है और काफी सिकुड़ जाती है, जिससे बिजली के प्रवाह की अनुमति देने वाले छोटे छेद बंद हो जाते हैं। यह पतन एक शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकता है, जो थर्मल रनवे का एक प्रमुख ट्रिगर है। हालांकि, सिरेमिक कोटिंग एक कठोर मचान (scaffold) की तरह कार्य करती है। यह प्लास्टिक को अपनी जगह पर बनाए रखती है और छेदों को लंबे समय तक खुला रखती है, जिससे तापमान 440 केल्विन तक पहुँचने तक पतन में देरी होती है। हालांकि कोटिंग प्लास्टिक को अंततः पिघलने से नहीं रोक सकती, लेकिन यह भौतिक विफलता को धीमा करके बैटरी को सुरक्षा का एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त मार्जिन प्रदान करती है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने इन तत्वों को एक एकल, जटिल मॉडल में संयोजित किया जहाँ सुरक्षात्मक त्वचा, तरल इलेक्ट्रोलाइट और सेपरेटर तीनों परस्पर क्रिया करते हैं। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि एक भाग की विफलता दूसरे को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया तीन अलग-अलग चरणों में होती है। पहले चरण में, सुरक्षात्मक त्वचा टूट जाती है और थोड़ी मात्रा में गैस छोड़ती है। दूसरे चरण में, जैसे-जैसे तापमान 420 केल्विन के पार जाता है, शेष त्वचा और पिघलता हुआ सेपरेटर एक ऐसा अराजक वातावरण बनाते हैं जहाँ तरल इलेक्ट्रोलाइट अधिक आक्रामक रूप से प्रतिक्रिया करने लगता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि त्वचा का टूटना और सेपरेटर का पिघलना वास्तव में कुछ गर्मी को अवशोषित करता है, जो तरल के अपघटन को अस्थायी रूप से धीमा कर देता है। हालांकि, एक बार जब तापमान 460 केल्विन के महत्वपूर्ण स्तर को पार कर जाता है, तो यह बफरिंग प्रभाव समाप्त हो जाता है। इसके बाद तरल इलेक्ट्रोलाइट तेजी से विघटित होने लगता है, जिससे एथिलीन और कार्बन डाइऑक्साइड जैसी ज्वलनशील गैसों की बड़ी मात्रा उत्पन्न होती है। यह अचानक उछाल उस बिंदु को चिह्नित करता है जहाँ से वापसी संभव नहीं है, जहाँ बैटरी एक अपरिवर्तनीय, स्व-तापन अवस्था में प्रवेश कर जाती है।

यह कार्य एक स्पष्ट, परमाणु-दर-परमाणु मानचित्र प्रदान करता है कि एक बैटरी अंदर से बाहर की ओर कैसे विफल होती है। यह दिखाता है कि सुरक्षा केवल सामग्रियों के बारे में नहीं है, बल्कि इस बारे में भी है कि वे तनाव के तहत एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं और एक-दूसरे को सहारा देती हैं। सेपरेटर पर सिरेमिक कोटिंग एक अस्थायी ढाल के रूप में कार्य करती है, जो भौतिक पतन को विलंबित करती है, जबकि सुरक्षात्मक त्वचा की रासायनिक संरचना यह निर्धारित करती है कि पहली गैसें कब निकलेंगी। इन सूक्ष्म अंतःक्रियाओं को समझकर, इंजीनियर ऐसी बैटरियां डिजाइन कर सकते हैं जो गर्मी का सामना करने के लिए बेहतर रूप से सुसज्जित हों, जिससे संभावित रूप से उस श्रृंखला अभिक्रिया को रोका जा सके जो आपदा की ओर ले जाती है। अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि कोई भी एकल घटक अकेले थर्मल रनवे को नहीं रोक सकता, लेकिन सामग्रियों और संरचनात्मक डिजाइन का सही संयोजन विफलता की शुरुआत को महत्वपूर्ण रूप से विलंबित कर सकता है, जिससे सुरक्षा प्रणालियों को हस्तक्षेप करने के लिए एक महत्वपूर्ण समय मिलता है।