Безопасность и решение литиевой батареи
С популяризацией мобильных телефонов, цифровых продуктов и электромобилей литий-ионные батареи играют все более важную роль в жизни людей. Часто критикуются такие проблемы использования, как низкая плотность энергии и ограниченный срок службы. Однако по сравнению с этими проблемами безопасность литиевых батарей находится в центре внимания.
В последние годы произошло множество несчастных случаев, вызванных проблемами безопасности аккумуляторной батареи, и последствия многих проблем шокируют, например, пожар на литиевой батарее Boeing 787 Dreamliner, потрясший отрасль, и крупномасштабный инцидент, связанный с возгоранием и взрывом аккумуляторной батареи. на Samsung Galaxy Note 7. Безопасность литий-ионных аккумуляторов в очередной раз забила тревогу.
Состав и принцип работы литий-ионного аккумулятора
Литий-ионные батареи в основном состоят из положительного электрода, отрицательного электрода, электролита, сепаратора, внешних соединений и компонентов упаковки. Среди них положительный электрод и отрицательный электрод содержат активные электродные материалы, проводящие агенты, связующие и т.д., которые равномерно покрывают токосъемники из медной фольги и алюминиевой фольги.
Потенциал положительного электрода литий-ионных аккумуляторов относительно высок, часто интеркалированные литием оксиды переходных металлов или полианионные соединения, такие как кобальтат лития, манганат лития, тройной фосфат лития-железа и т.д .; Отрицательные материалы литий-ионных аккумуляторов обычно представляют собой углеродные материалы, такие как графит и неграфитированный углерод; электролит литиево-ионного аккумулятора в основном представляет собой неводный раствор, состоящий из смешанного органического растворителя и литиевой соли, растворитель - в основном органический растворитель, такой как угольная кислота, а литиевая соль - в основном одновалентная полианионная литиевая соль, такая как гексафторфосфат лития и т.д .; Сепараторы литий-ионных аккумуляторов в основном представляют собой микропористые мембраны из полиэтилена и полипропилена, которые изолируют положительные и отрицательные материалы, предотвращают короткие замыкания, вызванные прохождением электронов, и позволяют ионам в электролите проходить через них.
В процессе зарядки внутри батареи литий извлекается из положительного электрода в виде ионов, переносится электролитом через диафрагму и внедряется в отрицательный электрод; вне батареи электроны мигрируют из внешней цепи к отрицательному электроду. В процессе разряда: ионы лития внутри батареи извлекаются из отрицательного электрода, проходят через диафрагму и внедряются в положительный электрод; вне батареи электроны мигрируют из внешней цепи к положительному электроду. При зарядке и разрядке это&"ион лития &"; который перемещается между батареями вместо элементарного&"литиевого &", поэтому аккумулятор называется&"литий-ионный аккумулятор &".
Во-вторых, опасность использования литий-ионных аккумуляторов.
Вообще говоря, проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов проявляются в виде возгорания или даже взрыва. Первопричиной этих проблем является тепловой разгон внутри батареи. Кроме того, некоторые внешние факторы, такие как перезарядка, возгорание, сжатие, прокол и короткое замыкание. Другие проблемы также могут привести к проблемам с безопасностью. Литий-ионные батареи выделяют тепло во время зарядки и разрядки. Если выделяемое тепло превышает способность батареи рассеивать тепло, литий-ионная батарея перегревается, и материал батареи разлагает пленку SEI, разложение электролита, разложение положительного электрода, отрицательный электрод и побочные разрушительные реакции, такие как реакция электролита и реакция отрицательного электрода и связующего.
1 Угрозы безопасности катодных материалов
При неправильном использовании литий-ионного аккумулятора внутренняя температура аккумулятора повышается, активный материал положительного электрода разлагается, а электролит окисляется. В то же время эти две реакции могут выделять много тепла, что приводит к дальнейшему повышению температуры батареи. Различные состояния делитирования очень по-разному влияют на трансформацию решетки активного материала, температуру разложения и термическую стабильность батареи.
2 Угрозы безопасности анодных материалов
Материалом отрицательного электрода, использовавшимся в первые дни, был металлический литий, а собранная батарея была склонна к образованию дендритов лития после многократной зарядки и разрядки, которые затем пробивали диафрагму, вызывая короткое замыкание, утечку и даже взрыв батареи. Соединения интеркалирования лития могут эффективно предотвращать образование дендритов лития и значительно повышать безопасность литий-ионных батарей. При повышении температуры углеродный отрицательный электрод в состоянии интеркаляции лития сначала экзотермически реагирует с электролитом. При одинаковых условиях зарядки и разрядки скорость тепловыделения реакции между электролитом и искусственным графитом с интеркалированным литием намного выше, чем у реакции с интеркалированными литием мезофазными углеродными микросферами, углеродными волокнами, коксом и т. Д.
3 Угрозы безопасности диафрагмы и электролита
Электролит литий-ионного аккумулятора представляет собой смешанный раствор литиевой соли и органического растворителя. Коммерческая литиевая соль представляет собой гексафторфосфат лития. Термическая стабильность электролита. Органический растворитель электролита представляет собой карбонат, который имеет низкие температуры кипения и вспышки, легко реагирует с литиевой солью с высвобождением PF5 при высокой температуре и легко окисляется.
4 Скрытые угрозы безопасности в производственном процессе
В процессе производства литий-ионных батарей такие процессы, как изготовление электродов и сборка батареи, будут влиять на безопасность батареи. Контроль качества различных процессов, таких как смешивание положительных и отрицательных электродов, нанесение покрытия, прокатка, резка или штамповка, сборка, заполнение электролитом, герметизация и формовка, - все это влияет на производительность и безопасность батареи. Однородность суспензии определяет равномерность распределения активного материала на электроде, тем самым влияя на безопасность батареи. Если крупность суспензии слишком велика, материал отрицательного электрода будет претерпевать относительно большие изменения во время зарядки и разрядки, и может произойти осаждение металлического лития; если крупность суспензии слишком мала, внутреннее сопротивление батареи будет слишком большим. Если температура нагрева покрытия слишком низкая или время высыхания недостаточное, растворитель останется, а связующее будет частично растворено, что приведет к легкому отслаиванию некоторых активных материалов; слишком высокая температура может привести к обугливанию связующего, а активные материалы могут выпасть и вызвать внутреннее короткое замыкание в батарее.
5 потенциальных угроз безопасности при использовании батареи
Литий-ионные батареи должны минимизировать перезарядку или чрезмерную разрядку во время использования. Температурные возмущения, особенно для батарей с высокой емкостью мономеров, могут вызвать серию экзотермических побочных реакций, что приведет к проблемам с безопасностью.
Три индикатора проверки безопасности литий-ионных аккумуляторов
После того, как литий-ионная батарея произведена, прежде чем она попадет к потребителю, требуется серия испытаний, чтобы обеспечить максимальную безопасность батареи и снизить потенциальную опасность.
1. Испытание на сжатие: поместите полностью заряженную батарею на плоскую поверхность, приложите давление 13 ± 1 кН с помощью гидравлического цилиндра и выдавите батарею с плоской поверхности стального стержня диаметром 32 мм. Как только давление сжатия достигает максимального значения Stop Squeeze, аккумулятор не загорается, просто не взрывайтесь' t.
2. Испытание на удар: после того, как аккумулятор полностью зарядится, поместите его на плоскую поверхность, поместите стальную стойку диаметром 15,8 мм по вертикали в центре аккумулятора и свободно уроните груз весом 9,1 кг с высоты 610 мм на него. стальная колонна над батареей. Батарея не загорается и не взрывается.
3. Тест на перезаряд: полностью зарядите аккумулятор с помощью 1C и выполните тест с перезарядом в соответствии с 3C перезарядкой 10V. Когда аккумулятор перезаряжается, напряжение повышается до определенного значения и стабилизируется в течение определенного периода времени. Когда он приближается к определенному периоду времени, напряжение батареи быстро возрастает. При достижении определенного предела верхняя крышка батареи снимается, напряжение падает до 0 В, и батарея не загорается и не взрывается.
4. Испытание на короткое замыкание: после полной зарядки аккумулятора положительный и отрицательный электроды замыкаются накоротко проводом с сопротивлением не более 50 мОм, и проверяется температура поверхности аккумулятора. Максимальная температура поверхности аккумулятора 140 ℃. Крышка аккумуляторного отсека открыта, аккумулятор не загорается и не взрывается. .
5. Иглоукалывание. Поместите полностью заряженную батарею на плоскую поверхность и проткните батарею в радиальном направлении стальной иглой диаметром 3 мм. Тестовая батарея не загорелась и не взорвалась.
6. Тест температурного цикла: Тест температурного цикла литий-ионного аккумулятора используется для моделирования безопасности литий-ионного аккумулятора, когда он неоднократно подвергается воздействию низкой температуры и высокой температуры окружающей среды во время транспортировки или хранения. Испытание заключается в использовании быстрых и экстремальных температурных изменений. После испытания образец не должен загореться, взорваться или протечь.
Четыре решения по обеспечению безопасности литий-ионных аккумуляторов
Принимая во внимание множество скрытых опасностей, связанных с безопасностью литий-ионных аккумуляторов в материалах, в процессе производства и использования, производители литий-ионных аккумуляторов должны решить вопрос о том, как улучшить детали, которые могут вызывать проблемы с безопасностью.
1 Повышение безопасности электролита
Между электролитом и положительным и отрицательным электродами наблюдается высокая реакционная способность, особенно при высоких температурах. Чтобы повысить безопасность батареи, повышение безопасности электролита является одним из наиболее эффективных методов. Потенциальную угрозу безопасности электролита можно эффективно устранить путем добавления функциональных добавок, использования новых солей лития и новых растворителей.
В соответствии с различными функциями добавок их можно разделить на следующие категории: защитные добавки, пленкообразующие добавки, добавки для защиты положительных электродов, стабилизирующие добавки солей лития, добавки, способствующие осаждению лития, антикоррозионные добавки для токосъемников и добавки, улучшающие смачиваемость. .
Чтобы улучшить характеристики коммерческих солей лития, исследователи заменили на них атомы и получили множество производных. Среди них соединения, полученные замещением атомов перфторалкильными группами, имеют много преимуществ, таких как высокая температура вспышки, аналогичная проводимость и повышенная водостойкость. , Представляет собой разновидность соединения литиевой соли с большими перспективами применения. Кроме того, анионная соль лития, полученная хелатированием атома бора кислородным лигандом, имеет высокую термическую стабильность.
Что касается растворителей, многие исследователи предложили ряд новых органических растворителей, таких как сложные эфиры карбоновых кислот и органические эфиры. Кроме того, ионные жидкости также имеют класс электролитов с высокой безопасностью, но относительно часто используются электролиты на карбонатной основе. Вязкость ионных жидкостей на порядки выше, а проводимость и коэффициент самодиффузии ионов низкие. Перед практичностью еще много работы. Делать.
2 Повышение безопасности электродных материалов
Литий-железо-фосфат и тройные композитные материалы считаются недорогими," превосходной безопасностью" катодные материалы и могут быть популяризированы в индустрии электромобилей. Для материала положительного электрода распространенным методом повышения его безопасности является модификация покрытия. Например, покрытие поверхности материала положительного электрода оксидом металла может предотвратить прямой контакт между материалом положительного электрода и электролитом, ингибировать фазовый переход материала положительного электрода и улучшить его структурную стабильность, уменьшить беспорядок катионов в кристаллическая решетка для уменьшения выделения тепла побочными реакциями.
Для материала отрицательного электрода, поскольку поверхность часто наиболее подвержена термохимическому разложению и тепловыделению в литий-ионной батарее, улучшение термической стабильности пленки SEI является ключевым методом повышения безопасности материала отрицательного электрода. За счет слабого окисления, осаждения металлов и оксидов металлов, полимерного или углеродного покрытия можно улучшить термическую стабильность материала отрицательного электрода.
3 Улучшенная конструкция защиты аккумулятора
Помимо повышения безопасности материалов батареи, в коммерческих литий-ионных батареях применяется множество мер безопасности, таких как установка предохранительных клапанов батареи, тепловых предохранителей, последовательное соединение компонентов с положительным температурным коэффициентом, использование термоизолированных диафрагм, загрузка специальных схем защиты, Специальная система управления батареями и т. д. также является средством повышения безопасности.
Пять литий-ионных аккумуляторов, поставщик решений по обеспечению безопасности
Поскольку безопасность литий-ионных аккумуляторов привлекает все больше и больше внимания, многие компании проводят исследования и разработки, специально посвященные потенциальным угрозам безопасности литий-ионных аккумуляторов, и предлагают эффективные решения по обеспечению безопасности аккумуляторов.
Компания Chuangwei New Energy, один из первых исследователей технологии предупреждения о тепловом разгоне и безопасности бытовых аккумуляторов, а также пионер создания специального автоматического устройства пожаротушения для батарейного отсека, разработала модель" теплового разгона литий-ионной батареи", которая продвинул контроль теплового разгона аккумуляторного ящика и автоматическое пожаротушение. Масштабное применение технологий.
& quot; Модель теплового разгона литий-ионной батареи" делится на три измерения: вертикальное, горизонтальное и вертикальное. Вертикальное направление - это избыточность данных нескольких датчиков, то есть несколько наборов данных датчиков в одной и той же среде приспособлены для моделирования кривой характеристики данных различных материалов и различных сред; горизонтальное направление - это алгоритм непрерывного времени для исторических данных датчика для устранения шума. Помехи эффективно решают проблемы ложных тревог, ложных тревог и запаздывания раннего предупреждения в пороговом методе; вертикальный прокол, отставание тупой иглы и другие методы используются для моделирования процесса теплового разгона различных типов аккумуляторных батарей.
С помощью трехмерного слияния, математических методов, основанных на большом количестве экспериментов и реальных рабочих данных, резюмируется внутренняя взаимосвязь между различными переменными, вызванными тепловым разгоном, и неврологические принципы используются для формирования чрезвычайно раннего, высоконадежного и самостоятельного -рабочий" ион лития" Модель теплового разгона батареи" реализует раннее предупреждение и интеллектуальный контроль скрытых опасностей, связанных с временем автономной работы.
Большое количество примеров раннего предупреждения, имевших место при реальной эксплуатации автомобиля, доказали эффективность и продвижение этой модели, сделав ее основной технологией текущего предупреждения о тепловом разгоне аккумуляторного отсека и автоматического пожаротушения.
Shenzhen Benwei battery - высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на R& D, производстве и продаже литий-ионных аккумуляторов. Сферы применения его продукции включают: литиевые батареи электромобилей, литиевые батареи, литиевые аккумуляторы энергии и т. Д. Компания и производители аккумуляторных элементов поддерживают долгосрочную стабильность. Сотрудничество и применяют новейшие технологические достижения и концепции для всей серии продуктов. процессы разработки. Производственный цех оснащен современным производственным оборудованием и первоклассными испытательными приборами. В то же время у него есть группа профессиональных групп по производству и управлению качеством, которые работают строго на каждом этапе производственного звена, а также путем постоянной оптимизации и улучшения процесса для обеспечения безопасности аккумуляторных батарей.
