Memahami baterai lithium ion yang mengalami thermal runaway - penyebab, mekanisme, dan pencegahan
Baterai lithium ion yang dapat dilepas secara termal adalah masalah keamanan utama dalam teknologi penyimpanan energi modern. Memahami mekanisme pelarian termal baterai lithium dan tindakan pencegahannya sangat penting untuk memastikan keamanan dan keandalan sistem baterai.
Artikel ini akan menjelaskan penyebab, mekanisme, dan pencegahan pelarian termal baterai lithium ion.
Daftar Isi
Apa yang dimaksud dengan pelarian termal pada baterai lithium ion?
Pelarian termal baterai lithium mengacu pada fenomena bahwa arus baterai lithium dan kenaikan suhu internal terjadi secara kumulatif yang saling menguatkan, yang mengakibatkan kerusakan baterai lithium. Bagian utama pelarian termal dalam arti sempit mengacu pada satu sel. Pelarian termal umum, yang subjeknya mengacu pada PACK.
Sederhananya, pelarian termal adalah proses loop umpan balik energi positif: kenaikan suhu menyebabkan sistem memanas, yang pada gilirannya menyebabkan sistem memanas, yang pada gilirannya membuat sistem semakin panas, dan pada akhirnya menyebabkan kebakaran atau ledakan.
Apa yang menyebabkan pelarian termal pada baterai lithium ion?
Faktor utama yang menyebabkan pelarian termal baterai lithium-ion adalah korsleting eksternal, suhu tinggi eksternal, dan korsleting internal.
Korsleting eksternal
Kemungkinan bahaya dalam pengoperasian kendaraan yang sebenarnya sangat rendah, salah satunya adalah bahwa sistem kendaraan dilengkapi dengan sekering dan sistem manajemen baterai BMS, dan yang lainnya adalah bahwa baterai dapat bertahan dalam waktu singkat dari dampak arus besar.
Suhu tinggi eksternal
Karena karakteristik struktur baterai lithium ion. Pada suhu tinggi, film SEI, elektrolit, EC dan reaksi penguraian lainnya terjadi, penguraian elektrolit baterai lithium juga akan bereaksi dengan elektroda positif dan negatif, diafragma sel akan meleleh dan terurai, dan berbagai reaksi akan menghasilkan banyak panas.
Melelehnya diafragma menyebabkan korsleting internaldan pelepasan energi listrik meningkatkan produksi panas.
Hasil dari penggunaan destruktif yang kumulatif dan saling menguatkan ini adalah bahwa lapisan anti ledakan sel baterai rusak, elektrolit terlontar, dan terjadi kebakaran.
Korsleting internal
Karena penggunaan baterai lithium-ion yang salah atau cacat kualitas baterai lithium, seperti kristal cabang yang disebabkan oleh pengisian daya yang berlebihan dan pengisian daya yang berlebihan, kotoran dalam debu proses produksi baterai, dll., Akan memperburuk pertumbuhan dan menusuk diafragma, ada korsleting mikro, pelepasan energi listrik menyebabkan kenaikan suhu, dan reaksi kimia material yang dibawa oleh kenaikan suhu memperluas jalur korsleting, membentuk arus korsleting yang lebih besar. Kehancuran kumulatif yang saling menguatkan terbentuk, yang menyebabkan pelarian termal.
Dalam kasus kebakaran yang disebabkan oleh pelarian termal baterai lithium dalam beberapa tahun terakhir, sebagian besar disebabkan oleh korsleting internal, dan panas serta suhunya membentuk lingkungan suhu tinggi eksternal untuk baterai yang berdekatan, memicu pelarian termal baterai yang berdekatan, yang mengarah ke reaksi berantai seluruh PACK.
Mekanisme baterai lithium ion yang dapat meloloskan diri secara termal
Baterai litium adalah ion litium yang tertanam dalam karbon (kokas minyak bumi dan grafit) untuk membentuk elektroda negatif.
Bahan katoda biasanya adalah LixCoO2, LixNiO2 dan LixMnO4, dan elektrolitnya adalah LiPF6 + dietilen karbonat (EC) + dimetil karbonat (DMC).
Faktor pemicu utama pelarian termal adalah kerusakan mekanis, baterai terlalu mahalkorsleting internal, dll. Di bawah pengaruh berbagai faktor, bahan aktif di dalam baterai lithium-ion memiliki reaksi eksotermik yang hebat, dan suhu internal baterai melebihi kisaran yang dapat dikontrol, yang pada akhirnya menyebabkan pelarian termal.
Reaksi kimia eksotermik pada baterai lithium ion terdiri dari penguraian film antarmuka elektrolit padat SEI, reaksi bahan aktif negatif dan elektrolit, reaksi bahan aktif negatif dan pengikat, dan reaksi penguraian oksidasi elektrolit.
Bagaimana cara mencegah pelarian panas pada baterai lithium ion?
Penyebab pelarian termal ada banyak. Untuk situasi pelarian termal baterai lithium, solusi utama saat ini adalah meningkatkan dari dua aspek perlindungan eksternal dan peningkatan internal. Perlindungan eksternal terutama mengacu pada peningkatan dan peningkatan sistem, dan peningkatan internal adalah untuk meningkatkan baterai itu sendiri.
Perlindungan eksternal
Komponen PTC (koefisien suhu positif)
Pasang komponen PTC pada baterai lithium-ion, dengan mempertimbangkan tekanan dan suhu di dalam baterai, saat baterai dipanaskan karena kelebihan muatan, resistansi internal baterai meningkat dengan cepat untuk membatasi arus, sehingga tegangan antara terminal positif dan negatif dikurangi menjadi tegangan yang aman, dan fungsi perlindungan otomatis baterai direalisasikan.
Katup tahan ledakan
Ketika tekanan internal baterai lithium terlalu besar karena anomali, katup anti ledakan berubah bentuk, dan kabel yang ditempatkan di dalam baterai untuk koneksi terputus dan pengisian baterai lithium berhenti.
Sistem pendingin yang lebih baik
Sistem manajemen termal terutama bertanggung jawab untuk mengontrol suhu guna memastikan bahwa baterai selalu berada pada suhu pengoperasian yang wajar. Biasanya, sistem manajemen termal dikendalikan oleh pengontrol kendaraan. Ketika suhu baterai lithium tidak normal, pembuangan panas atau pemanasan dilakukan tepat waktu oleh sistem pendingin udara untuk memastikan keamanan dan masa pakai baterai.
Lembar isolasi baterai aerogel
Bantalan insulasi aerogel dapat dipasang di antara sel baterai daya dan modul. Ketika kontrol termal sel baterai terjadi, aerogel dengan konduktivitas termal yang rendah dapat berperan sebagai insulasi panas, menunda atau menghalangi kecelakaan.
Ketika sel baterai menjadi terlalu panas dan terbakar, lembaran insulasi aerogel mencapai kelas. Performa yang tidak mudah terbakar juga dapat secara efektif memblokir atau menunda penyebaran api, dan dapat memastikan bahwa paket baterai tidak terbakar atau meledak dalam waktu 5 menit, memberikan waktu yang cukup untuk melarikan diri.
Peningkatan internal
Memperbaiki sistem cairan elektrolit
Sebagai darah dari baterai lithium-ion, baterai elektrolit baterai lithium ion secara langsung menentukan kinerja bateraidan memainkan peran penting dalam kapasitas baterai, kisaran suhu pengoperasian, performa bersepeda, dan performa keselamatan.
Saat ini, komponen yang paling banyak digunakan dalam sistem cairan elektrolit baterai lithium-ion komersial adalah LiPF6, vinil karbonat, dan karbonat linier. Sejumlah besar pelarut karbonat dengan titik didih rendah dan titik nyala rendah dalam elektrolit akan berkedip pada suhu rendah, yang memiliki risiko keamanan yang besar.
Oleh karena itu, banyak peneliti mencoba meningkatkan sistem cairan elektrolit untuk meningkatkan kinerja keamanan elektrolit. Jika bahan utama baterai tidak mengalami perubahan subversif dalam waktu singkat, meningkatkan stabilitas elektrolit adalah cara penting untuk meningkatkan keamanan baterai.
Bahan elektroda positif
Bahan katoda baterai lithium-ion tidak stabil saat kondisi pengisian daya tegangan baterai lithium ion lebih tinggi dari 4V, dan mudah terjadi dekomposisi termal pada suhu tinggi untuk melepaskan oksigen, dan oksigen terus bereaksi dengan pelarut organik untuk menghasilkan sejumlah besar panas dan gas lainnya, sehingga mengurangi keamanan baterai. Oleh karena itu, reaksi antara anoda baterai lithium ion dan elektrolit dianggap sebagai penyebab utama pelarian panas.
Untuk bahan elektroda positif, modifikasi pelapisan adalah metode yang umum dilakukan untuk meningkatkan keamanannya. Seperti MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 dan zat lain pada permukaan bahan elektroda positif, dapat mengurangi reaksi antara elektroda positif dan elektrolit setelah penghilangan Li+, sekaligus mengurangi pelepasan oksigen dari elektroda positif, menghambat perubahan fasa bahan elektroda positif, meningkatkan stabilitas strukturalnya, mengurangi gangguan kation pada kisi, dan mengurangi bahan elektroda positif. Hal ini mengurangi pembangkitan panas dari reaksi samping selama siklus.
Pemisah
Saat ini, pemisah yang paling banyak digunakan dalam baterai lithium-ion komersial masih menggunakan bahan poliolefin, yang kelemahan utamanya adalah penyusutan panas pada suhu tinggi dan pembasahan elektrolit yang buruk.
Untuk mengatasi cacat ini, para peneliti telah mencoba berbagai metode, seperti menemukan bahan yang stabil terhadap panas, atau menambahkan sejumlah kecil serbuk nanopartikel Al2O3 atau SiO2 ke dalam diafragma, yang tidak hanya menggunakan diafragma biasa, tetapi juga meningkatkan stabilitas termal bahan elektroda positif.
Kesimpulan
Sering terjadinya kecelakaan pelarian termal pada baterai lithium-ion sangat mengejutkan. Untuk menghindari kecelakaan keselamatan baterai lithium-ion, meningkatkan keamanan baterai lithium-ion, dan menghindari terjadinya pelarian termal, perlu dilakukan pendekatan multi-cabang dari desain formula baterai, desain struktural, dan desain manajemen termal kemasan baterai untuk bersama-sama meningkatkan stabilitas termal baterai lithium-ion dan mengurangi kemungkinan pelarian termal.
Tess
Hai, saya adalah seorang penulis senior di industri penukaran baterai kendaraan roda dua dan roda tiga, dengan pengalaman menulis selama bertahun-tahun, yang berkomitmen untuk memberikan pengetahuan, layanan, dan solusi penukaran baterai yang lengkap untuk berbagai industri.
Memahami baterai lithium ion yang mengalami thermal runaway - penyebab, mekanisme, dan pencegahan
Baterai lithium ion yang dapat dilepas secara termal adalah masalah keamanan utama dalam teknologi penyimpanan energi modern. Memahami mekanisme pelarian termal baterai lithium dan tindakan pencegahannya sangat penting untuk memastikan keamanan dan keandalan sistem baterai.
Artikel ini akan menjelaskan penyebab, mekanisme, dan pencegahan pelarian termal baterai lithium ion.
Apa yang dimaksud dengan pelarian termal pada baterai lithium ion?
Pelarian termal baterai lithium mengacu pada fenomena bahwa arus baterai lithium dan kenaikan suhu internal terjadi secara kumulatif yang saling menguatkan, yang mengakibatkan kerusakan baterai lithium. Bagian utama pelarian termal dalam arti sempit mengacu pada satu sel. Pelarian termal umum, yang subjeknya mengacu pada PACK.
Sederhananya, pelarian termal adalah proses loop umpan balik energi positif: kenaikan suhu menyebabkan sistem memanas, yang pada gilirannya menyebabkan sistem memanas, yang pada gilirannya membuat sistem semakin panas, dan pada akhirnya menyebabkan kebakaran atau ledakan.
Apa yang menyebabkan pelarian termal pada baterai lithium ion?
Korsleting eksternal
Suhu tinggi eksternal
Melelehnya diafragma menyebabkan korsleting internaldan pelepasan energi listrik meningkatkan produksi panas.
Hasil dari penggunaan destruktif yang kumulatif dan saling menguatkan ini adalah bahwa lapisan anti ledakan sel baterai rusak, elektrolit terlontar, dan terjadi kebakaran.
Korsleting internal
Karena penggunaan baterai lithium-ion yang salah atau cacat kualitas baterai lithium, seperti kristal cabang yang disebabkan oleh pengisian daya yang berlebihan dan pengisian daya yang berlebihan, kotoran dalam debu proses produksi baterai, dll., Akan memperburuk pertumbuhan dan menusuk diafragma, ada korsleting mikro, pelepasan energi listrik menyebabkan kenaikan suhu, dan reaksi kimia material yang dibawa oleh kenaikan suhu memperluas jalur korsleting, membentuk arus korsleting yang lebih besar. Kehancuran kumulatif yang saling menguatkan terbentuk, yang menyebabkan pelarian termal.
Dalam kasus kebakaran yang disebabkan oleh pelarian termal baterai lithium dalam beberapa tahun terakhir, sebagian besar disebabkan oleh korsleting internal, dan panas serta suhunya membentuk lingkungan suhu tinggi eksternal untuk baterai yang berdekatan, memicu pelarian termal baterai yang berdekatan, yang mengarah ke reaksi berantai seluruh PACK.
Mekanisme baterai lithium ion yang dapat meloloskan diri secara termal
Baterai litium adalah ion litium yang tertanam dalam karbon (kokas minyak bumi dan grafit) untuk membentuk elektroda negatif.
Bahan katoda biasanya adalah LixCoO2, LixNiO2 dan LixMnO4, dan elektrolitnya adalah LiPF6 + dietilen karbonat (EC) + dimetil karbonat (DMC).
Faktor pemicu utama pelarian termal adalah kerusakan mekanis, baterai terlalu mahalkorsleting internal, dll. Di bawah pengaruh berbagai faktor, bahan aktif di dalam baterai lithium-ion memiliki reaksi eksotermik yang hebat, dan suhu internal baterai melebihi kisaran yang dapat dikontrol, yang pada akhirnya menyebabkan pelarian termal.
Reaksi kimia eksotermik pada baterai lithium ion terdiri dari penguraian film antarmuka elektrolit padat SEI, reaksi bahan aktif negatif dan elektrolit, reaksi bahan aktif negatif dan pengikat, dan reaksi penguraian oksidasi elektrolit.
Bagaimana cara mencegah pelarian panas pada baterai lithium ion?
Perlindungan eksternal
Komponen PTC (koefisien suhu positif)
Katup tahan ledakan
Sistem pendingin yang lebih baik
Sistem manajemen termal terutama bertanggung jawab untuk mengontrol suhu guna memastikan bahwa baterai selalu berada pada suhu pengoperasian yang wajar. Biasanya, sistem manajemen termal dikendalikan oleh pengontrol kendaraan. Ketika suhu baterai lithium tidak normal, pembuangan panas atau pemanasan dilakukan tepat waktu oleh sistem pendingin udara untuk memastikan keamanan dan masa pakai baterai.
Lembar isolasi baterai aerogel
Bantalan insulasi aerogel dapat dipasang di antara sel baterai daya dan modul. Ketika kontrol termal sel baterai terjadi, aerogel dengan konduktivitas termal yang rendah dapat berperan sebagai insulasi panas, menunda atau menghalangi kecelakaan.
Ketika sel baterai menjadi terlalu panas dan terbakar, lembaran insulasi aerogel mencapai kelas. Performa yang tidak mudah terbakar juga dapat secara efektif memblokir atau menunda penyebaran api, dan dapat memastikan bahwa paket baterai tidak terbakar atau meledak dalam waktu 5 menit, memberikan waktu yang cukup untuk melarikan diri.
Peningkatan internal
Memperbaiki sistem cairan elektrolit
Sebagai darah dari baterai lithium-ion, baterai elektrolit baterai lithium ion secara langsung menentukan kinerja bateraidan memainkan peran penting dalam kapasitas baterai, kisaran suhu pengoperasian, performa bersepeda, dan performa keselamatan.
Saat ini, komponen yang paling banyak digunakan dalam sistem cairan elektrolit baterai lithium-ion komersial adalah LiPF6, vinil karbonat, dan karbonat linier. Sejumlah besar pelarut karbonat dengan titik didih rendah dan titik nyala rendah dalam elektrolit akan berkedip pada suhu rendah, yang memiliki risiko keamanan yang besar.
Oleh karena itu, banyak peneliti mencoba meningkatkan sistem cairan elektrolit untuk meningkatkan kinerja keamanan elektrolit. Jika bahan utama baterai tidak mengalami perubahan subversif dalam waktu singkat, meningkatkan stabilitas elektrolit adalah cara penting untuk meningkatkan keamanan baterai.
Bahan elektroda positif
Bahan katoda baterai lithium-ion tidak stabil saat kondisi pengisian daya tegangan baterai lithium ion lebih tinggi dari 4V, dan mudah terjadi dekomposisi termal pada suhu tinggi untuk melepaskan oksigen, dan oksigen terus bereaksi dengan pelarut organik untuk menghasilkan sejumlah besar panas dan gas lainnya, sehingga mengurangi keamanan baterai. Oleh karena itu, reaksi antara anoda baterai lithium ion dan elektrolit dianggap sebagai penyebab utama pelarian panas.
Untuk bahan elektroda positif, modifikasi pelapisan adalah metode yang umum dilakukan untuk meningkatkan keamanannya. Seperti MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 dan zat lain pada permukaan bahan elektroda positif, dapat mengurangi reaksi antara elektroda positif dan elektrolit setelah penghilangan Li+, sekaligus mengurangi pelepasan oksigen dari elektroda positif, menghambat perubahan fasa bahan elektroda positif, meningkatkan stabilitas strukturalnya, mengurangi gangguan kation pada kisi, dan mengurangi bahan elektroda positif. Hal ini mengurangi pembangkitan panas dari reaksi samping selama siklus.
Pemisah
Saat ini, pemisah yang paling banyak digunakan dalam baterai lithium-ion komersial masih menggunakan bahan poliolefin, yang kelemahan utamanya adalah penyusutan panas pada suhu tinggi dan pembasahan elektrolit yang buruk.
Untuk mengatasi cacat ini, para peneliti telah mencoba berbagai metode, seperti menemukan bahan yang stabil terhadap panas, atau menambahkan sejumlah kecil serbuk nanopartikel Al2O3 atau SiO2 ke dalam diafragma, yang tidak hanya menggunakan diafragma biasa, tetapi juga meningkatkan stabilitas termal bahan elektroda positif.
Kesimpulan