...
Розуміння теплового розряду літій-іонного акумулятора - причини, механізм та запобігання

Розуміння теплового розряду літій-іонного акумулятора - причини, механізм та запобігання

Літій-іонний акумулятор з тепловим розрядом є ключовою проблемою безпеки в сучасних технологіях зберігання енергії. Розуміння механізму теплового розряду літієвої батареї та заходів щодо його запобігання є дуже важливим для забезпечення безпеки та надійності акумуляторної системи.

У цій статті ми розповімо про причини, механізм і способи запобігання тепловому розряду літій-іонного акумулятора.

Зміст
</img
YouTube_play_button_icon_(2013–2017).svg

Що таке тепловий розгін в літій-іонних акумуляторах?

Тепловий розряд літієвої батареї - це явище, коли струм літієвої батареї і підвищення внутрішньої температури відбуваються кумулятивно, взаємно підсилюючи один одного, що призводить до пошкодження літієвої батареї. Основна частина теплового втечі у вузькому сенсі відноситься до одного елемента. Узагальнене теплове витікання, предмет якого відноситься до PACK.

Що таке тепловий розгін в літій-іонних акумуляторах

Простіше кажучи, тепловий втеча - це процес з позитивним зворотним зв'язком: підвищення температури викликає нагрівання системи, що, в свою чергу, викликає нагрівання системи, яка, в свою чергу, робить систему ще більш гарячою, і, в кінцевому підсумку, викликає пожежу або вибух.

Що спричиняє тепловий розряд у літій-іонних акумуляторах?

Основними факторами, що спричиняють тепловий розряд літій-іонних акумуляторів, є зовнішнє коротке замикання, зовнішня висока температура і внутрішнє коротке замикання.

Зовнішнє коротке замикання

Вірогідність небезпеки в реальній експлуатації автомобіля вкрай низька, по-перше, тому, що система автомобіля оснащена запобіжником і системою управління акумулятором BMS, а по-друге, тому, що акумулятор може витримати короткочасний вплив великого струму.

Висока зовнішня температура

Через особливості структури літій-іонного акумулятора. При високих температурах відбуваються реакції розкладання плівки SEI, електроліту, EC та інші реакції розкладання, розкладання електроліту літієвої батареї також буде реагувати з позитивними і негативними електродами, діафрагма елемента розплавиться і розкладеться, а різноманітні реакції будуть виробляти багато тепла.

Що спричиняє тепловий розряд у літій-іонних акумуляторах

Плавлення діафрагми призводить до  внутрішнє коротке замиканняа вивільнення електричної енергії збільшує виробництво тепла.

Результатом такого кумулятивного і взаємопідсилюючого руйнівного використання є розрив вибухозахисної плівки елемента батареї, витікання електроліту і виникнення пожежі.

Внутрішнє коротке замикання

Через неправильне використання літій-іонних акумуляторів або дефекти якості літієвих батарей, такі як відгалуження кристалів, спричинені перезарядом та перерозрядом, домішки пилу в процесі виробництва батареї тощо, погіршують ріст і пробивають діафрагму, виникає мікрокоротке замикання, вивільнення електричної енергії призводить до підвищення температури, а хімічна реакція матеріалу, спричинена підвищенням температури, розширює шлях короткого замикання, утворюючи більший струм короткого замикання. Утворюється кумулятивне, взаємопідсилююче руйнування, що призводить до теплової втечі. 

У випадках пожеж, спричинених тепловим випромінюванням літієвих батарей в останні роки, більшість з них спочатку спричинені внутрішнім коротким замиканням, а його тепло і температура утворюють зовнішнє високотемпературне середовище для сусідніх батарей, що викликає теплове випромінювання сусідніх батарей, яке призводить до ланцюгової реакції всієї батареї PACK.

Механізм теплового розгону літій-іонного акумулятора

Літієві батареї - це іони літію, інкорпоровані у вуглець (нафтовий кокс і графіт) для формування негативного електрода.

Катодним матеріалом зазвичай є LixCoO2, LixNiO2 і LixMnO4, а електролітом - LiPF6 + діетиленкарбонат (EC) + диметилкарбонат (DMC).

Механізм теплового розгону літій-іонного акумулятора

Основними факторами, що спричиняють тепловий втечу, є механічні пошкодження, перезаряд акумуляторавнутрішнє коротке замикання тощо. Під впливом різних факторів активний матеріал всередині літій-іонного акумулятора вступає в бурхливу екзотермічну реакцію, і внутрішня температура акумулятора перевищує контрольований діапазон, що в кінцевому підсумку призводить до теплового вибігу.

Екзотермічна хімічна реакція в літій-іонних акумуляторах складається з розкладання твердої плівки межі розділу SEI і електроліту, реакції негативно активного матеріалу і електроліту, реакції негативно активного матеріалу і зв'язуючого, а також реакції окислювального розкладання електроліту.

Як запобігти тепловому втечі в літій-іонних акумуляторах?

Причин теплового випромінювання багато. Для ситуації з тепловим виходом літієвої батареї основним рішенням є вдосконалення двох аспектів: зовнішнього захисту і внутрішнього вдосконалення. Зовнішній захист в основному стосується модернізації та вдосконалення системи, а внутрішнє вдосконалення полягає в поліпшенні самої батареї.

Зовнішній захист

Компоненти з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC)

Встановлюйте компоненти PTC в літій-іонні акумулятори, враховуючи тиск і температуру всередині акумулятора, коли акумулятор нагрівається через перезаряд, внутрішній опір акумулятора швидко збільшується для обмеження струму, завдяки чому напруга між позитивною і негативною клемами знижується до безпечної напруги, і реалізується функція автоматичного захисту акумулятора.

Вибухозахищений клапан

Коли внутрішній тиск літієвої батареї занадто великий через аномалію, вибухозахищений клапан деформується, а провід, розміщений всередині батареї для підключення, відрізається, і зарядка літієвих акумуляторів зупиняється.

Покращена система охолодження

Система терморегулювання в основному відповідає за контроль температури, щоб забезпечити постійну робочу температуру акумулятора. Зазвичай система терморегулювання контролюється контролером автомобіля. Коли температура літієвої батареї перевищує норму, система кондиціонування вчасно здійснює відведення або нагрівання тепла, щоб забезпечити безпеку і термін служби батареї.

Як запобігти тепловому втечі в літій-іонних акумуляторах

Аерогелевий ізоляційний лист для акумуляторів

Ізоляційна прокладка з аерогелю може бути встановлена між елементом акумуляторної батареї та модулем. Коли відбувається перегрів елемента батареї, аерогель з низькою теплопровідністю може відігравати роль теплоізоляції, затримуючи або блокуючи аварію.

Коли акумуляторна батарея перегрівається і горить, аерогелевий ізоляційний лист досягає класу. Негорючість також може ефективно блокувати або затримувати поширення вогню, а також гарантувати, що акумуляторна батарея не згорить і не вибухне протягом 5 хвилин, забезпечуючи достатній час для втечі. 

Внутрішнє вдосконалення

Удосконалення системи електролітичної рідини

Як кров літій-іонних акумуляторів, літій-іонні акумулятори електроліт для літій-іонних акумуляторів безпосередньо визначає продуктивність акумулятораі відіграє важливу роль в ємності акумулятора, діапазоні робочих температур, циклічних характеристиках і показниках безпеки.

Наразі найпоширенішими компонентами в електролітичній рідинній системі комерційних літій-іонних акумуляторів є LiPF6, вінілкарбонат і лінійний карбонат. Велика кількість карбонатних розчинників з низькими температурами кипіння і низькими температурами спалаху в електроліті буде спалахувати при низькій температурі, що має великі ризики для безпеки.

Тому багато дослідників намагаються вдосконалити систему електролітичної рідини, щоб підвищити показники безпеки електроліту. Якщо основний матеріал батареї не зазнає підривних змін за короткий час, підвищення стабільності електроліту є важливим способом підвищення безпеки батареї.

Матеріал позитивного електрода

Матеріал катода літій-іонного акумулятора нестабільний під час заряджання  напруга літій-іонного акумулятора перевищує 4 В, і він легко піддається термічному розкладанню при високих температурах з виділенням кисню, а кисень продовжує реагувати з органічними розчинниками, виділяючи велику кількість тепла та інших газів, що знижує безпеку акумулятора. Тому реакція між анодом літій-іонного акумулятора та електролітом вважається основною причиною теплового розряду.

Матеріал позитивного електрода

Для матеріалів позитивних електродів модифікація покриття є поширеним методом підвищення їх безпеки. Такі речовини, як MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 та інші речовини на поверхні матеріалу позитивного електрода, можуть зменшити реакцію між позитивним електродом і електролітом після видалення Li+, одночасно зменшуючи виділення кисню позитивним електродом, гальмуючи фазові зміни матеріалу позитивного електрода, покращуючи його структурну стабільність, зменшуючи невпорядкованість катіону в решітці та зменшуючи матеріал позитивного електрода. Це зменшує виділення тепла від побічних реакцій під час циклу.

Сепаратор

Наразі найпоширенішим сепаратором в комерційних літій-іонних батареях залишаються поліолефінові матеріали, основними недоліками яких є теплова усадка при високих температурах і погане змочування електролітом.

Для того, щоб подолати ці дефекти, дослідники випробували багато методів, таких як пошук термостійкого матеріалу, або додавання невеликої кількості порошку наночастинок Al2O3 або SiO2 до діафрагми, що не тільки використовує звичайну діафрагму, але й покращує термостійкість матеріалу позитивного електрода.

Висновок

Часте виникнення аварій з тепловим втечею літій-іонних акумуляторів шокує. Щоб уникнути аварій, пов'язаних з безпекою літій-іонних акумуляторів, підвищити безпеку літій-іонних акумуляторів та уникнути виникнення теплового втечі, необхідно застосувати багатосторонній підхід до розробки формули акумулятора, конструктивного проектування та проектування терморегулювання акумуляторних батарей, щоб спільно підвищити термічну стабільність літій-іонних акумуляторів та зменшити ймовірність теплового втечі.
Зображення Tess
Тесс.
Експертка з більш ніж 10-річним досвідом роботи в галузі електромобільної енергетики, спеціалізується на батареях LiFePO4 та NCM, оптимізації продуктивності та технологіях безпеки. Вона очолювала кілька науково-дослідницьких проектів з розробки акумуляторів з високою щільністю енергії та тривалим терміном служби, допомагаючи компаніям та водіям приймати обґрунтовані рішення щодо електромобілів.
Всі публікації
Пов'язана публікація

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *