Bezpečnost a řešení lithiové baterie
S popularizací mobilních telefonů, digitálních produktů a elektrických vozidel hrají lithium-iontové baterie stále důležitější roli v životech lidí' Často jsou kritizovány problémy s používáním, jako je nízká hustota energie a omezená životnost. Ve srovnání s těmito problémy je však středem pozornosti bezpečnost lithiových baterií.
V posledních letech je mnoho nehod způsobených problémy s bezpečností baterií a důsledky mnoha problémů jsou šokující, jako je požár lithiové baterie Boeingu 787 Dreamliner, který šokoval průmysl, a rozsáhlý požár a výbuch baterie. na Samsung Galaxy Note 7. Bezpečnost lithium-iontových baterií opět zvonila na poplach.
Složení a princip činnosti lithium-iontové baterie
Lithium-iontové baterie se skládají hlavně z kladné elektrody, záporné elektrody, elektrolytu, separátoru, externího připojení a součástí balení. Mezi nimi kladná elektroda a záporná elektroda obsahují aktivní elektrodové materiály, vodivá činidla, pojiva atd., které jsou rovnoměrně potaženy na sběrači proudu z měděné fólie a hliníkové fólie.
Potenciál kladné elektrody lithium-iontových baterií je relativně vysoký, často se jedná o oxidy přechodných kovů interkalované s lithiem nebo polyaniontové sloučeniny, jako je kobaltát lithný, manganistan lithný, ternární, fosforečnan lithný atd.; negativní materiály lithium-iontových baterií jsou obvykle uhlíkové materiály, jako je grafit a negrafitizovaný uhlík; elektrolyt lithium-iontové baterie je převážně nevodný roztok, složený z organického smíšeného rozpouštědla a lithné soli, rozpouštědlo je většinou organické rozpouštědlo, jako je kyselina uhličitá, a lithiová sůl je většinou monovalentní polyaniontová lithiová sůl, jako je hexafluorfosfát lithný atd.; Separátory lithium-iontových baterií jsou většinou polyethylenové a polypropylenové mikroporézní membrány, které izolují kladné a záporné materiály, zabraňují zkratům způsobeným průchodem elektronů a umožňují průchod iontů v elektrolytu.
Během nabíjecího procesu je uvnitř baterie lithium extrahováno z kladné elektrody ve formě iontů, transportováno elektrolytem přes membránu a zabudováno do záporné elektrody; mimo baterii elektrony migrují z vnějšího obvodu na zápornou elektrodu. V procesu vybíjení: ionty lithia uvnitř baterie jsou extrahovány ze záporné elektrody, procházejí membránou a jsou zabudovány do kladné elektrody; mimo baterii elektrony migrují z vnějšího obvodu ke kladné elektrodě. Při nabíjení a vybíjení je to"lithium ion" která migruje mezi bateriemi místo základní"lithium", takže baterie se nazývá"lithium-iontová baterie".
Za druhé, bezpečnostní rizika lithium-iontových baterií
Obecně lze říci, že bezpečnostní problémy lithium-iontových baterií se projevují jako hoření nebo dokonce výbuch. Hlavní příčinou těchto problémů je tepelný únik uvnitř baterie. K bezpečnostním problémům mohou navíc vést i některé vnější faktory, jako je přebití, požár, sevření, proražení a zkrat. Lithium-iontové baterie budou během nabíjení a vybíjení generovat teplo. Pokud generované teplo překročí kapacitu odvádění tepla baterie, lithium-iontová baterie se přehřeje a materiál baterie rozloží film SEI, rozklad elektrolytu, rozklad kladné elektrody, zápornou elektrodu a destruktivní vedlejší reakce, jako je reakce elektrolytu a reakce záporné elektrody a pojiva.
1 Bezpečnostní rizika katodových materiálů
Při nesprávném použití lithium-iontové baterie se zvýší vnitřní teplota baterie a aktivní materiál materiálu kladné elektrody se rozloží a elektrolyt bude oxidovat. Zároveň tyto dvě reakce mohou generovat velké množství tepla, což způsobí další zvýšení teploty baterie. Různé stavy delithiace mají velmi rozdílný vliv na mřížkovou transformaci aktivního materiálu, teplotu rozkladu a tepelnou stabilitu baterie.
2 Bezpečnostní rizika anodových materiálů
Materiál záporné elektrody používaný v prvních dnech bylo kovové lithium a sestavená baterie byla náchylná k produkci lithiových dendritů po opakovaném nabíjení a vybíjení, které by pak prorazily membránu, což způsobilo zkrat, únik a dokonce explozi baterie. Lithiové interkalační sloučeniny mohou účinně zabránit tvorbě lithiových dendritů a výrazně zlepšit bezpečnost lithium-iontových baterií. Jak se teplota zvyšuje, uhlíková negativní elektroda ve stavu lithiové interkalace nejprve exotermicky reaguje s elektrolytem. Za stejných podmínek nabíjení a vybíjení je rychlost uvolňování tepla při reakci mezi elektrolytem a umělým grafitem interkalovaným lithiem mnohem větší než při reakci s mesofázovými uhlíkovými mikrokuličkami interkalovanými lithiem, uhlíkovými vlákny, koksem atd.
3 Bezpečnostní rizika membrány a elektrolytu
Elektrolyt lithium-iontové baterie je směsný roztok lithné soli a organického rozpouštědla. Komerční lithná sůl je hexafluorfosfát lithný. Tepelná stabilita elektrolytu. Organickým rozpouštědlem elektrolytu je uhličitan, který má nízký bod varu a bod vzplanutí a snadno reaguje s lithiovou solí za uvolnění PF5 při vysoké teplotě a snadno se oxiduje.
4 Skrytá bezpečnostní rizika ve výrobním procesu
Během výrobního procesu lithium-iontových baterií budou mít procesy, jako je výroba elektrod a montáž baterie, dopad na bezpečnost baterie. Kontrola kvality různých procesů, jako je míchání kladných a záporných elektrod, potahování, válcování, řezání nebo děrování, montáž, plnění elektrolytem, těsnění a tvarování, to vše ovlivňuje výkon a bezpečnost baterie. Rovnoměrnost suspenze určuje rovnoměrnost distribuce aktivního materiálu na elektrodě, čímž ovlivňuje bezpečnost baterie. Pokud je jemnost suspenze příliš velká, materiál záporné elektrody podstoupí během nabíjení a vybíjení poměrně velké změny a může dojít k vysrážení kovového lithia; pokud je jemnost kaše příliš malá, vnitřní odpor baterie bude příliš velký. Pokud je teplota zahřívání povlaku příliš nízká nebo doba sušení nedostatečná, rozpouštědlo zůstane a pojivo se částečně rozpustí, což způsobí, že se některé aktivní materiály snadno odlupují; příliš vysoká teplota může způsobit karbonizaci pojiva a aktivní materiály mohou odpadávat a způsobit vnitřní zkraty v baterii.
5 potenciálních bezpečnostních rizik při používání baterie
Lithium-iontové baterie by měly během používání minimalizovat přebíjení nebo nadměrné vybíjení. Zejména u baterií s vysokou kapacitou monomeru může tepelné rušení způsobit řadu exotermických vedlejších reakcí, které vedou k bezpečnostním problémům.
Tři indikátory testování bezpečnosti lithium-iontové baterie
Poté, co je lithium-iontová baterie vyrobena, než se dostane ke spotřebiteli, je vyžadována řada testů, aby byla co nejvíce zajištěna bezpečnost baterie a snížena potenciální bezpečnostní rizika.
1. Zkouška stlačení: Položte plně nabitou baterii na rovný povrch, vyviňte tlak 13±1KN hydraulickým válcem a vytlačte baterii z plochého povrchu ocelové tyče o průměru 32 mm. Jakmile stlačovací tlak dosáhne maximálního dorazu Squeeze, baterie se nevznítí, pouze neexploduje'
2. Nárazová zkouška: Po úplném nabití baterie ji položte na rovný povrch, umístěte ocelový sloupek o průměru 15,8 mm svisle do středu baterie a volně spusťte závaží o hmotnosti 9,1 kg z výšky 610 mm na ocelový sloup nad baterií. Baterie se nevznítí ani neexploduje.
3. Test přebití: Plně nabijte baterii 1C a proveďte test přebití podle 3C přebití 10V. Při přebití baterie se napětí zvýší na určité napětí a po určitou dobu se ustálí. Když se blíží určité době, napětí baterie rychle stoupá. Po dosažení určité hranice se stáhne horní víčko baterie, napětí klesne na 0 V a baterie se nevznítí ani nevybuchne.
4. Zkouška zkratu: Po úplném nabití baterie se kladná a záporná elektroda baterie zkratuje vodičem s odporem maximálně 50 mΩ a testuje se povrchová teplota baterie. Maximální teplota povrchu baterie je 140℃. Víčko baterie je otevřené a baterie se nevznítí ani nevybuchne. .
5. Akupunkturní test: Položte plně nabitou baterii na rovný povrch a propíchněte baterii v radiálním směru ocelovou jehlou o průměru 3 mm. Testovací baterie nevzplane ani nevybuchne.
6. Test teplotního cyklu: Test teplotního cyklu lithium-iontové baterie se používá k simulaci bezpečnosti lithium-iontové baterie, když je opakovaně vystavena nízké teplotě a prostředí s vysokou teplotou během přepravy nebo skladování. Test spočívá v použití rychlých a extrémních teplotních změn. Po testu by vzorek neměl hořet, explodovat nebo unikat.
Čtyři bezpečnostní řešení lithium-iontových baterií
Vzhledem k mnoha skrytým bezpečnostním rizikům lithium-iontových baterií v procesu materiálu, výroby a použití je problém, který musí výrobci lithium-iontových baterií vyřešit, vylepšit části, které jsou náchylné k bezpečnostním problémům.
1 Zlepšete bezpečnost elektrolytu
Mezi elektrolytem a kladnými a zápornými elektrodami je vysoká reakční aktivita, zejména při vysokých teplotách. Za účelem zvýšení bezpečnosti baterie je zlepšení bezpečnosti elektrolytu jednou z nejúčinnějších metod. Potenciální bezpečnostní rizika elektrolytu lze účinně řešit přidáním funkčních přísad, použitím nových lithných solí a použitím nových rozpouštědel.
Podle různých funkcí aditiv je lze rozdělit do následujících kategorií: bezpečnostní ochranné přísady, filmotvorné přísady, přísady pro ochranu kladných elektrod, stabilizační přísady lithných solí, přísady podporující srážení lithia, antikorozní přísady pro sběrač proudu a přísady zlepšující smáčivost .
Aby se zlepšila výkonnost komerčních lithných solí, výzkumníci na nich nahradili atomy a získali mnoho derivátů. Mezi nimi sloučeniny získané substitucí atomů perfluoralkylovými skupinami mají mnoho výhod, jako je vysoký bod vzplanutí, podobná vodivost a zvýšená odolnost proti vodě. , Je druh sloučeniny lithné soli s velkými vyhlídkami na použití. Kromě toho má aniontová lithná sůl získaná chelací atomu boru s kyslíkovým ligandem vysokou tepelnou stabilitu.
Pokud jde o rozpouštědla, mnoho výzkumníků navrhlo řadu nových organických rozpouštědel, jako jsou estery karboxylových kyselin a organické ethery. Kromě toho mají iontové kapaliny také třídu elektrolytů s vysokou bezpečností, ale poměrně běžně používané elektrolyty na bázi uhličitanu. Viskozita iontových kapalin je řádově vyšší a vodivost a koeficient samodifúze iontů jsou nízké. Před praktičností je ještě hodně práce. Dělat.
2 Zlepšete bezpečnost materiálů elektrod
Fosforečnan lithný a ternární kompozitní materiály jsou považovány za levné,"vynikající bezpečnost" katodové materiály a mohou být popularizovány v průmyslu elektrických vozidel. U materiálu kladné elektrody je běžnou metodou pro zlepšení jeho bezpečnosti úprava povlaku. Například povrchový povlak materiálu kladné elektrody oxidem kovu může zabránit přímému kontaktu mezi materiálem kladné elektrody a elektrolytem, inhibovat fázovou změnu materiálu kladné elektrody a zlepšit jeho strukturální stabilita snižuje poruchu kationtů v krystalovou mřížku, aby se snížila tvorba tepla vedlejšími reakcemi.
U materiálu negativní elektrody, protože povrch je často nejnáchylnější k termochemickému rozkladu a tvorbě tepla v lithium-iontové baterii, je zlepšení tepelné stability filmu SEI klíčovou metodou ke zlepšení bezpečnosti materiálu negativní elektrody. Prostřednictvím slabé oxidace, nanášení kovu a oxidu kovu, polymerního nebo uhlíkového povlaku lze zlepšit tepelnou stabilitu materiálu záporné elektrody.
3 Vylepšený design ochrany baterie
Kromě zlepšení bezpečnosti materiálů baterií přijímají komerční lithium-iontové baterie mnoho bezpečnostních ochranných opatření, jako je nastavení bezpečnostních ventilů baterie, tepelné pojistky, sériové připojení komponentů s kladnými teplotními koeficienty, použití tepelně utěsněných membrán, zatížení vyhrazených ochranných obvodů, a vyhrazený systém správy baterie atd. je také prostředkem ke zvýšení bezpečnosti.
Pět lithium-iontových baterií poskytovatel bezpečnostních řešení
Vzhledem k tomu, že bezpečnost lithium-iontových baterií přitahuje stále více pozornosti, mnoho společností provedlo výzkum a vývoj speciálně pro potenciální bezpečnostní rizika u lithium-iontových baterií a předložilo účinná řešení pro bezpečnost baterií.
Chuangwei New Energy jako první výzkumník v oblasti tepelného únikového varování a bezpečnostní technologie domácích napájecích baterií a průkopník speciálního automatického hasicího zařízení s bateriovými boxy propagoval"lithium-iontový model tepelného úniku", který podporovalo monitorování tepelného úniku baterie a automatické hašení požáru. Aplikace technologie ve velkém měřítku.
& quot;Lithium-iontový akumulátorový tepelný model" je rozdělena do tří dimenzí: vertikální, horizontální a vertikální. Vertikální směr je datová redundance více senzorů, to znamená, že více sad dat senzorů ve stejném prostředí je přizpůsobeno k simulaci datové charakterizační křivky různých materiálů a různých prostředí; horizontální směr je kontinuální časový algoritmus pro historická data snímače pro eliminaci šumu Interference účinně řeší problémy falešných poplachů, falešných poplachů a zpoždění včasného varování v prahové metodě; vertikální punkce, tupá jehla backlog a další metody se používají k simulaci procesu tepelného úniku různých typů napájecích baterií.
Prostřednictvím trojrozměrné fúze, matematických metod, založených na velkém počtu experimentů a skutečných provozních datech, je shrnut vnitřní vztah mezi různými proměnnými způsobenými tepelným útěkem a neurologické principy jsou použity k vytvoření extrémně raného, vysoce spolehlivého -provozní"lithium ion" Model tepelného úniku baterie" realizuje včasné varování a inteligentní ovládání skrytých nebezpečí v životnosti baterie.
Velké množství příkladů včasného varování, ke kterým došlo ve skutečném provozu vozidla, prokázalo účinnost a pokrok tohoto modelu, což z něj činí základní technologii současného varování před tepelným únikem akumulátoru a automatického hašení požáru.
Shenzhen Benwei battery je high-tech společnost specializující se na R&D, výrobu a prodej lithium-iontových baterií. Oblasti použití produktů zahrnují: lithiové baterie elektrických vozidel, lithiové napájecí baterie, lithiové baterie pro ukládání energie atd. Společnost a výrobci bateriových článků udržují dlouhodobou stabilitu Kooperativní vztahy a aplikují nejnovější technologické úspěchy a koncepty na celou řadu produktů vývojové procesy. Výrobní dílna je vybavena moderním výrobním zařízením a prvotřídními testovacími přístroji. Zároveň má skupinu profesionálních týmů pro řízení výroby a kvality, přísně každý krok ve výrobě a neustálou optimalizací a zlepšováním procesu zajišťuje bezpečnost baterií.
