Литиевые батареи имеют преимущества портативности и быстрой зарядки, так почему же свинцово-кислотные батареи и другие вторичные батареи все еще циркулируют на рынке?
Помимо проблем стоимости и различных областей применения, еще одной причиной является безопасность.
Литий — самый активный металл в мире.Поскольку его химические характеристики слишком активны, когда металлический литий подвергается воздействию воздуха, он будет иметь бурную реакцию окисления с кислородом, поэтому он подвержен взрыву, возгоранию и другим явлениям.Кроме того, внутри литиевой батареи во время зарядки и разрядки также будет происходить окислительно-восстановительная реакция.Взрыв и самовозгорание в основном вызваны накоплением, диффузией и высвобождением литиевой батареи после нагревания.Короче говоря, литиевые батареи будут выделять много тепла в процессе зарядки и разрядки, что приведет к повышению внутренней температуры батареи и неравномерной температуре между отдельными батареями, что приведет к нестабильной работе батареи.
Небезопасное поведение литий-ионной батареи с тепловым разгоном (в том числе перезарядка и чрезмерная разрядка батареи, быстрая зарядка и разрядка, короткое замыкание, механические повреждения, высокотемпературный тепловой удар и т. д.) могут вызвать опасные побочные реакции внутри батареи и выделение тепла. прямое повреждение пассивной пленки на поверхности отрицательного электрода и положительного электрода.
Существует много причин, вызывающих аварии с тепловым разгоном литий-ионных аккумуляторов.В соответствии с характеристиками срабатывания его можно разделить на механическое срабатывание, электрическое срабатывание и термическое срабатывание.Механическое насилие: относится к иглоукалыванию, экструзии и ударам тяжелыми предметами, вызванными столкновением транспортных средств;Злоупотребление электричеством: обычно вызвано неправильным управлением напряжением или неисправностью электрических компонентов, включая короткое замыкание, перезаряд и переразряд;Злоупотребление теплом: вызвано перегревом, вызванным неправильным управлением температурой.
Эти три метода запуска взаимосвязаны.Механическое обращение, как правило, вызывает деформацию или разрыв диафрагмы батареи, что приводит к прямому контакту между положительным и отрицательным полюсами батареи и короткому замыканию, что приводит к неправильному использованию электричества;Однако в условиях злоупотребления электричеством увеличивается выделение тепла, такого как тепло Джоуля, что приводит к повышению температуры батареи, что приводит к злоупотреблению теплом, дополнительно запуская побочную реакцию выделения тепла цепного типа внутри батареи и, наконец, приводя к возникновению убегания тепла батареи.
Тепловой разгон батареи вызван тем, что скорость выделения тепла батареей намного выше, чем скорость рассеивания тепла, и тепло аккумулируется в большом количестве, но не рассеивается во времени.По сути, «тепловой разгон» представляет собой процесс цикла с положительной обратной связью по энергии: повышение температуры приводит к тому, что система становится горячей, а температура повышается после того, как система становится горячей, что, в свою очередь, делает систему еще более горячей.
Процесс теплового разгона: когда внутренняя температура батареи повышается, пленка SEI на поверхности пленки SEI разлагается при высокой температуре, ион лития, встроенный в графит, вступает в реакцию с электролитом и связующим, что еще больше повышает температуру батареи. до 150 ℃, и при этой температуре произойдет новая бурная экзотермическая реакция.Когда температура батареи превышает 200 ℃, материал катода разлагается, выделяя большое количество тепла и газа, и батарея начинает вздуваться и непрерывно нагреваться.Литиевый встроенный анод начал реагировать с электролитом при 250-350 ℃.Заряженный материал катода начинает подвергаться бурной реакции разложения, а электролит подвергается бурной реакции окисления, выделяя большое количество тепла, создавая высокую температуру и большое количество газа, вызывая возгорание и взрыв батареи.
Проблема осаждения дендритов лития во время перезарядки: после полной зарядки литий-кобалатной батареи большое количество ионов лития остается на положительном электроде.То есть катод не может удерживать больше ионов лития, прикрепленных к катоду, но в состоянии перезарядки избыточные ионы лития на катоде все равно будут плавать к катоду.Поскольку их невозможно полностью удержать, на катоде будет образовываться металлический литий.Поскольку этот металлический литий представляет собой дендритный кристалл, его называют дендритом.Если дендрит слишком длинный, можно легко проткнуть диафрагму, что приведет к внутреннему короткому замыканию.Так как основным компонентом электролита является карбонат, его температура воспламенения и температура кипения низкие, поэтому он будет гореть или даже взрываться при высокой температуре.
Если это полимерно-литиевая батарея, электролит является коллоидным, который склонен к более бурному возгоранию.Чтобы решить эту проблему, ученые пытаются заменить более безопасные катодные материалы.Материал литий-манганатной батареи имеет определенные преимущества.Это может гарантировать, что ион лития положительного электрода может быть полностью внедрен в углеродное отверстие отрицательного электрода в состоянии полного заряда, вместо того, чтобы иметь определенные остатки в положительном электроде, такие как кобальт лития, что в некоторой степени позволяет избежать образования дендриты.Стабильная структура манганата лития делает его способность к окислению намного ниже, чем у кобалата лития.Даже если есть внешнее короткое замыкание (а не внутреннее короткое замыкание), это может в основном избежать возгорания и взрыва, вызванных осаждением металлического лития.Литий-железо-фосфат обладает более высокой термической стабильностью и меньшей окислительной способностью электролита, поэтому обладает высокой безопасностью.
Ослабление старения литий-ионного аккумулятора проявляется в уменьшении емкости и увеличении внутреннего сопротивления, а его внутренний механизм ослабления старения включает потерю положительных и отрицательных активных материалов и потерю доступных ионов лития.Когда материал катода состарился и разложился, а емкость катода недостаточна, риск выделения лития из катода более вероятен.В условиях переразряда потенциал катода к литию поднимется выше 3 В, что выше, чем потенциал растворения меди, вызывая растворение медного коллектора.Растворенные ионы меди будут осаждаться на поверхности катода и образовывать медные дендриты.Медные дендриты проходят через диафрагму, вызывая внутреннее короткое замыкание, что серьезно влияет на безопасность батареи.
Кроме того, сопротивление перезарядке стареющих аккумуляторов в определенной степени снизится, в основном из-за увеличения внутреннего сопротивления и уменьшения положительных и отрицательных активных веществ, что приводит к увеличению джоулевого тепла в процессе перезарядки аккумуляторов.При меньшем перезаряде могут запускаться побочные реакции, приводящие к тепловому разгону аккумуляторов.С точки зрения термической стабильности выделение лития из катода приведет к резкому снижению термической стабильности батареи.
Одним словом, показатели безопасности устаревшей батареи будут значительно снижены, что серьезно поставит под угрозу безопасность батареи.Наиболее распространенным решением является оснащение аккумуляторной системы хранения энергии системой управления батареями (BMS).Например, батареи 8000 18650, используемые в Tesla Model S, могут осуществлять мониторинг различных физических параметров батареи в режиме реального времени, оценивать состояние использования батареи и проводить онлайн-диагностику и раннее предупреждение через свою систему управления батареями.В то же время он также может выполнять контроль разрядки и предварительной зарядки, управление балансом батареи и управление температурой.
Время публикации: 02 декабря 2022 г.