Compreender a fuga térmica da bateria de iões de lítio - causas, mecanismo e prevenção
Bateria de iões de lítio com fuga térmica é um problema de segurança fundamental na tecnologia moderna de armazenamento de energia. Compreender o mecanismo de fuga térmica da bateria de lítio e as suas medidas preventivas é muito importante para garantir a segurança e a fiabilidade do sistema de baterias.
Este artigo explica-nos as causas, o mecanismo e a prevenção da fuga térmica da bateria de iões de lítio.
Índice
O que é a fuga térmica nas baterias de iões de lítio?
A fuga térmica da bateria de lítio refere-se ao fenómeno em que a corrente da bateria de lítio e o aumento da temperatura interna ocorrem numa utilização cumulativa que se reforça mutuamente, resultando em danos na bateria de lítio. O corpo principal da fuga térmica, num sentido restrito, refere-se a uma única célula. A fuga térmica generalizada, cujo objeto se refere a PACK.
Simplificando, a fuga térmica é um processo de retorno de energia positivo: o aumento da temperatura faz com que o sistema aqueça, o que por sua vez faz com que o sistema aqueça, o que por sua vez faz com que o sistema fique ainda mais quente e, por fim, provoca um incêndio ou explosão.
O que causa a fuga térmica nas baterias de iões de lítio?
Os principais factores que causam a fuga térmica das baterias de iões de lítio são o curto-circuito externo, a alta temperatura externa e o curto-circuito interno.
Curto-circuito externo
A probabilidade de perigo no funcionamento real do veículo é extremamente baixa, uma vez que o sistema do veículo está equipado com fusível e sistema de gestão da bateria BMS, e a outra é que a bateria pode suportar um curto período de tempo de grande impacto de corrente.
Alta temperatura externa
Devido às características da estrutura da bateria de iões de lítio. A altas temperaturas, ocorre a decomposição da película SEI, do eletrólito, do CE e de outras reacções de decomposição, a decomposição do eletrólito da bateria de lítio também reage com os eléctrodos positivos e negativos, o diafragma da célula derrete e decompõe-se, e uma variedade de reacções produz muito calor.
A fusão do diafragma leva a uma curto-circuito internoe a libertação de energia eléctrica aumenta a produção de calor.
O resultado desta utilização destrutiva cumulativa e mutuamente reforçada é que a película à prova de explosão da célula da bateria é quebrada, o eletrólito é ejectado e ocorre o incêndio.
Curto-circuito interno
Devido à utilização incorrecta das baterias de iões de lítio ou a defeitos de qualidade das baterias de lítio, tais como os cristais de ramificação provocados por sobrecarga e descarga excessiva, impurezas no pó do processo de produção da bateria, etc., irão deteriorar o crescimento e perfurar o diafragma, há um micro curto-circuito, a libertação de energia eléctrica leva ao aumento da temperatura, e a reação química do material provocada pelo aumento da temperatura expande o caminho do curto-circuito, formando uma corrente de curto-circuito maior. Forma-se uma destruição cumulativa que se reforça mutuamente, levando à fuga térmica.
Nos casos de incêndios provocados por fugas térmicas de baterias de lítio nos últimos anos, a maior parte deles são causados, em primeiro lugar, por curto-circuitos internos, e o seu calor e temperatura formam um ambiente externo de alta temperatura para as baterias adjacentes, desencadeando fugas térmicas de baterias adjacentes, o que leva a uma reação em cadeia de todo o PACK.
Mecanismo de fuga térmica da bateria de iões de lítio
As baterias de lítio são iões de lítio embebidos em carbono (coque de petróleo e grafite) para formar um elétrodo negativo.
O material do cátodo é geralmente LixCoO2, LixNiO2 e LixMnO4, e o eletrólito é LiPF6+ carbonato de dietileno (EC)+ carbonato de dimetilo (DMC).
Os principais factores indutores da fuga térmica são os danos mecânicos, sobrecarga da bateriacurto-circuito interno, etc. Sob a influência de vários factores, o material ativo no interior da bateria de iões de lítio tem uma reação exotérmica violenta e a temperatura interna da bateria excede o intervalo controlável, o que acaba por conduzir a uma fuga térmica.
A reação química exotérmica nas baterias de iões de lítio inclui a decomposição da película da interface electrolítica sólida SEI, a reação do material ativo negativo e do eletrólito, a reação do material ativo negativo e do aglutinante e a reação de decomposição da oxidação do eletrólito.
Como evitar a fuga térmica nas baterias de iões de lítio?
A indução da fuga térmica é múltipla. Para a situação de fuga térmica da bateria de lítio, a solução atual consiste em melhorar os dois aspectos da proteção externa e da melhoria interna. A proteção externa refere-se principalmente à atualização e melhoria do sistema, e a melhoria interna consiste em melhorar a própria bateria.
Proteção externa
Componentes PTC (coeficiente de temperatura positivo)
Instalar componentes PTC nas baterias de iões de lítio, tendo em conta a pressão e a temperatura no interior da bateria, quando a bateria é aquecida devido a sobrecarga, a resistência interna da bateria aumenta rapidamente para limitar a corrente, de modo a que a tensão entre os terminais positivo e negativo seja reduzida para uma tensão segura, e a função de proteção automática da bateria é realizada.
Válvula à prova de explosão
Quando a pressão interna da bateria de lítio é demasiado elevada devido a uma anomalia, a válvula à prova de explosão é deformada e o cabo colocado no interior da bateria para ligação é cortado e a carregamento da bateria de lítio paragens.
Sistema de arrefecimento melhorado
O sistema de gestão térmica é o principal responsável pelo controlo da temperatura para garantir que a bateria está sempre a uma temperatura de funcionamento razoável. Normalmente, o sistema de gestão térmica é controlado pelo controlador do veículo. Quando a temperatura da bateria de lítio é anormal, a dissipação de calor ou o aquecimento é efectuado a tempo pelo sistema de ar condicionado para garantir a segurança e a vida útil da bateria.
Folha de isolamento de baterias de aerogel
A almofada de isolamento de aerogel pode ser montada entre a célula da bateria de energia e o módulo. Quando ocorre o controlo térmico da célula da bateria, o aerogel com baixa condutividade térmica pode desempenhar um papel de isolamento térmico, atrasando ou bloqueando o acidente.
Quando a célula da bateria sobreaquece e queima, a folha de isolamento de aerogel atinge a classe. Um desempenho incombustível também pode bloquear ou atrasar eficazmente a propagação do fogo e pode garantir que a bateria não arde ou explode no espaço de 5 minutos, proporcionando tempo suficiente para a fuga.
Melhoria interna
Melhorar o sistema de líquido eletrolítico
Como o sangue das baterias de iões de lítio, o eletrólito de bateria de iões de lítio determina diretamente o desempenho da bateriae desempenha um papel importante na capacidade da bateria, na gama de temperaturas de funcionamento, no desempenho dos ciclos e no desempenho de segurança.
Atualmente, os componentes mais utilizados no sistema líquido eletrolítico das baterias comerciais de iões de lítio são o LiPF6, o carbonato de vinilo e o carbonato linear. Um grande número de solventes de carbonato com baixos pontos de ebulição e baixos pontos de inflamação no eletrólito irá inflamar a baixa temperatura, o que apresenta grandes riscos de segurança.
Por conseguinte, muitos investigadores tentam melhorar o sistema de líquido eletrolítico para melhorar o desempenho de segurança do eletrólito. Se o material principal da bateria não sofrer alterações subversivas num curto espaço de tempo, melhorar a estabilidade do eletrólito é uma forma importante de aumentar a segurança da bateria.
Material do elétrodo positivo
O material do cátodo da bateria de iões de lítio é instável quando o estado de carga tensão da bateria de iões de lítio é superior a 4V, e é fácil a decomposição térmica a altas temperaturas para libertar oxigénio, e o oxigénio continua a reagir com solventes orgânicos para produzir uma grande quantidade de calor e outros gases, reduzindo a segurança da bateria. Por conseguinte, a reação entre ânodo de bateria de iões de lítio e o eletrólito é considerada a principal causa de fuga térmica.
Para os materiais de eléctrodos positivos, a modificação do revestimento é um método comum para melhorar a sua segurança. Tais como MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 e outras substâncias na superfície do material do elétrodo positivo, podem reduzir a reação entre o elétrodo positivo e o eletrólito após a remoção do Li+, reduzindo ao mesmo tempo a libertação de oxigénio do elétrodo positivo, inibindo a mudança de fase do material do elétrodo positivo, melhorando a sua estabilidade estrutural, reduzindo a desordem do catião na rede e reduzindo o material do elétrodo positivo. Isto reduz a geração de calor a partir de reacções laterais durante o ciclo.
Separador
Atualmente, o separador mais utilizado nas baterias comerciais de iões de lítio continua a ser o material poliolefínico, cujas principais desvantagens são a retração térmica a altas temperaturas e a fraca humidificação do eletrólito.
Para ultrapassar estes defeitos, os investigadores tentaram vários métodos, como encontrar um material estável ao calor ou adicionar uma pequena quantidade de pó de nanopartículas de Al2O3 ou SiO2 ao diafragma, que não só utiliza o diafragma normal, como também melhora a estabilidade térmica do material do elétrodo positivo.
Conclusão
A ocorrência frequente de acidentes de fuga térmica das baterias de iões de lítio é chocante. Para evitar acidentes de segurança com as baterias de iões de lítio, melhorar a segurança das baterias de iões de lítio e evitar a ocorrência de fugas térmicas, é necessário adotar uma abordagem multifacetada a partir da conceção da fórmula da bateria, da conceção estrutural e da conceção da gestão térmica das baterias para melhorar conjuntamente a estabilidade térmica das baterias de iões de lítio e reduzir a possibilidade de fugas térmicas.
Tess
Olá! Sou um escritor sénior na indústria de troca de baterias de duas e três rodas, com muitos anos de experiência de escrita, empenhado em fornecer os melhores conhecimentos, serviços e um conjunto completo de soluções de troca de baterias para várias indústrias.
Compreender a fuga térmica da bateria de iões de lítio - causas, mecanismo e prevenção
Bateria de iões de lítio com fuga térmica é um problema de segurança fundamental na tecnologia moderna de armazenamento de energia. Compreender o mecanismo de fuga térmica da bateria de lítio e as suas medidas preventivas é muito importante para garantir a segurança e a fiabilidade do sistema de baterias.
Este artigo explica-nos as causas, o mecanismo e a prevenção da fuga térmica da bateria de iões de lítio.
O que é a fuga térmica nas baterias de iões de lítio?
A fuga térmica da bateria de lítio refere-se ao fenómeno em que a corrente da bateria de lítio e o aumento da temperatura interna ocorrem numa utilização cumulativa que se reforça mutuamente, resultando em danos na bateria de lítio. O corpo principal da fuga térmica, num sentido restrito, refere-se a uma única célula. A fuga térmica generalizada, cujo objeto se refere a PACK.
Simplificando, a fuga térmica é um processo de retorno de energia positivo: o aumento da temperatura faz com que o sistema aqueça, o que por sua vez faz com que o sistema aqueça, o que por sua vez faz com que o sistema fique ainda mais quente e, por fim, provoca um incêndio ou explosão.
O que causa a fuga térmica nas baterias de iões de lítio?
Curto-circuito externo
Alta temperatura externa
A fusão do diafragma leva a uma curto-circuito internoe a libertação de energia eléctrica aumenta a produção de calor.
O resultado desta utilização destrutiva cumulativa e mutuamente reforçada é que a película à prova de explosão da célula da bateria é quebrada, o eletrólito é ejectado e ocorre o incêndio.
Curto-circuito interno
Devido à utilização incorrecta das baterias de iões de lítio ou a defeitos de qualidade das baterias de lítio, tais como os cristais de ramificação provocados por sobrecarga e descarga excessiva, impurezas no pó do processo de produção da bateria, etc., irão deteriorar o crescimento e perfurar o diafragma, há um micro curto-circuito, a libertação de energia eléctrica leva ao aumento da temperatura, e a reação química do material provocada pelo aumento da temperatura expande o caminho do curto-circuito, formando uma corrente de curto-circuito maior. Forma-se uma destruição cumulativa que se reforça mutuamente, levando à fuga térmica.
Nos casos de incêndios provocados por fugas térmicas de baterias de lítio nos últimos anos, a maior parte deles são causados, em primeiro lugar, por curto-circuitos internos, e o seu calor e temperatura formam um ambiente externo de alta temperatura para as baterias adjacentes, desencadeando fugas térmicas de baterias adjacentes, o que leva a uma reação em cadeia de todo o PACK.
Mecanismo de fuga térmica da bateria de iões de lítio
As baterias de lítio são iões de lítio embebidos em carbono (coque de petróleo e grafite) para formar um elétrodo negativo.
O material do cátodo é geralmente LixCoO2, LixNiO2 e LixMnO4, e o eletrólito é LiPF6+ carbonato de dietileno (EC)+ carbonato de dimetilo (DMC).
Os principais factores indutores da fuga térmica são os danos mecânicos, sobrecarga da bateriacurto-circuito interno, etc. Sob a influência de vários factores, o material ativo no interior da bateria de iões de lítio tem uma reação exotérmica violenta e a temperatura interna da bateria excede o intervalo controlável, o que acaba por conduzir a uma fuga térmica.
A reação química exotérmica nas baterias de iões de lítio inclui a decomposição da película da interface electrolítica sólida SEI, a reação do material ativo negativo e do eletrólito, a reação do material ativo negativo e do aglutinante e a reação de decomposição da oxidação do eletrólito.
Como evitar a fuga térmica nas baterias de iões de lítio?
Proteção externa
Componentes PTC (coeficiente de temperatura positivo)
Válvula à prova de explosão
Sistema de arrefecimento melhorado
O sistema de gestão térmica é o principal responsável pelo controlo da temperatura para garantir que a bateria está sempre a uma temperatura de funcionamento razoável. Normalmente, o sistema de gestão térmica é controlado pelo controlador do veículo. Quando a temperatura da bateria de lítio é anormal, a dissipação de calor ou o aquecimento é efectuado a tempo pelo sistema de ar condicionado para garantir a segurança e a vida útil da bateria.
Folha de isolamento de baterias de aerogel
A almofada de isolamento de aerogel pode ser montada entre a célula da bateria de energia e o módulo. Quando ocorre o controlo térmico da célula da bateria, o aerogel com baixa condutividade térmica pode desempenhar um papel de isolamento térmico, atrasando ou bloqueando o acidente.
Quando a célula da bateria sobreaquece e queima, a folha de isolamento de aerogel atinge a classe. Um desempenho incombustível também pode bloquear ou atrasar eficazmente a propagação do fogo e pode garantir que a bateria não arde ou explode no espaço de 5 minutos, proporcionando tempo suficiente para a fuga.
Melhoria interna
Melhorar o sistema de líquido eletrolítico
Como o sangue das baterias de iões de lítio, o eletrólito de bateria de iões de lítio determina diretamente o desempenho da bateriae desempenha um papel importante na capacidade da bateria, na gama de temperaturas de funcionamento, no desempenho dos ciclos e no desempenho de segurança.
Atualmente, os componentes mais utilizados no sistema líquido eletrolítico das baterias comerciais de iões de lítio são o LiPF6, o carbonato de vinilo e o carbonato linear. Um grande número de solventes de carbonato com baixos pontos de ebulição e baixos pontos de inflamação no eletrólito irá inflamar a baixa temperatura, o que apresenta grandes riscos de segurança.
Por conseguinte, muitos investigadores tentam melhorar o sistema de líquido eletrolítico para melhorar o desempenho de segurança do eletrólito. Se o material principal da bateria não sofrer alterações subversivas num curto espaço de tempo, melhorar a estabilidade do eletrólito é uma forma importante de aumentar a segurança da bateria.
Material do elétrodo positivo
O material do cátodo da bateria de iões de lítio é instável quando o estado de carga tensão da bateria de iões de lítio é superior a 4V, e é fácil a decomposição térmica a altas temperaturas para libertar oxigénio, e o oxigénio continua a reagir com solventes orgânicos para produzir uma grande quantidade de calor e outros gases, reduzindo a segurança da bateria. Por conseguinte, a reação entre ânodo de bateria de iões de lítio e o eletrólito é considerada a principal causa de fuga térmica.
Para os materiais de eléctrodos positivos, a modificação do revestimento é um método comum para melhorar a sua segurança. Tais como MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 e outras substâncias na superfície do material do elétrodo positivo, podem reduzir a reação entre o elétrodo positivo e o eletrólito após a remoção do Li+, reduzindo ao mesmo tempo a libertação de oxigénio do elétrodo positivo, inibindo a mudança de fase do material do elétrodo positivo, melhorando a sua estabilidade estrutural, reduzindo a desordem do catião na rede e reduzindo o material do elétrodo positivo. Isto reduz a geração de calor a partir de reacções laterais durante o ciclo.
Separador
Atualmente, o separador mais utilizado nas baterias comerciais de iões de lítio continua a ser o material poliolefínico, cujas principais desvantagens são a retração térmica a altas temperaturas e a fraca humidificação do eletrólito.
Para ultrapassar estes defeitos, os investigadores tentaram vários métodos, como encontrar um material estável ao calor ou adicionar uma pequena quantidade de pó de nanopartículas de Al2O3 ou SiO2 ao diafragma, que não só utiliza o diafragma normal, como também melhora a estabilidade térmica do material do elétrodo positivo.
Conclusão