Litiumbatteriets säkerhet och lösning
Med populariseringen av mobiltelefoner, digitala produkter och elfordon spelar litiumjonbatterier en allt viktigare roll i människors's liv. Användningsproblem som låg energitäthet och begränsad livslängd kritiseras ofta. Men jämfört med dessa problem är säkerheten för litiumbatterier i fokus.
Under de senaste åren finns det många olyckor orsakade av batterisäkerhetsproblem, och konsekvenserna av många problem är chockerande, som brandincidenten på litiumbatteriet i Boeing 787 Dreamliner som chockade industrin, och den storskaliga batteribranden och explosionsincidenten på Samsung Galaxy Note 7. Litiumjonbatteriernas säkerhet slog återigen larm.
Sammansättningen och arbetsprincipen för ett litiumjonbatteri
Litiumjonbatterier består huvudsakligen av positiv elektrod, negativ elektrod, elektrolyt, separator, extern anslutning och förpackningskomponenter. Bland dem innehåller den positiva elektroden och den negativa elektroden aktiva elektrodmaterial, ledande medel, bindemedel, etc., som är likformigt belagda på kopparfolien och aluminiumfolieströmkollektorerna.
Den positiva elektrodpotentialen hos litiumjonbatterier är relativt hög, ofta litium-interkalerade övergångsmetalloxider eller polyanjoniska föreningar, såsom litiumkoboltat, litiummanganat, ternärt, litiumjärnfosfat, etc.; negativa material från litiumjonbatterier är vanligtvis kolmaterial, såsom grafit och icke-grafitiserat kol; litiumjonbatterielektrolyt är huvudsakligen icke-vattenhaltig lösning, sammansatt av organiskt blandat lösningsmedel och litiumsalt, lösningsmedlet är mestadels organiskt lösningsmedel såsom kolsyra, och litiumsaltet är mestadels monovalent polyanjoniskt litiumsalt, såsom litiumhexafluorfosfat, etc .; Litiumjonbatteriseparatorer är oftast mikroporösa membran av polyeten och polypropen, som isolerar de positiva och negativa materialen, förhindrar kortslutningar orsakade av passage av elektroner och låter joner i elektrolyten passera igenom.
Under laddningsprocessen, inuti batteriet, extraheras litium från den positiva elektroden i form av joner, transporteras av elektrolyten genom membranet och bäddas in i den negativa elektroden; utanför batteriet migrerar elektroner från den externa kretsen till den negativa elektroden. I urladdningsprocessen: litiumjoner inuti batteriet extraheras från den negativa elektroden, passerar genom membranet och är inbäddade i den positiva elektroden; utanför batteriet migrerar elektroner från den externa kretsen till den positiva elektroden. Med laddning och urladdning är det"litiumjon" som migrerar mellan batterierna istället för det elementära"litium", så batteriet kallas"litiumjonbatteri".
För det andra, säkerhetsriskerna med litiumjonbatterier
Generellt sett visar sig säkerhetsproblemen med litiumjonbatterier som brinnande eller till och med explosion. Grundorsaken till dessa problem är den termiska flykten inuti batteriet. Dessutom kan vissa externa faktorer, såsom överladdning, brand, klämning, punktering och kortslutning Andra problem också leda till säkerhetsproblem. Litiumjonbatterier genererar värme under laddning och urladdning. Om den värme som genereras överstiger batteriets värmeavledningskapacitet kommer litiumjonbatteriet att överhettas och batterimaterialet kommer att sönderdela SEI-filmen, elektrolytsönderdelning, positiv elektrodsönderdelning, negativ elektrod och destruktiva bireaktioner såsom reaktionen av elektrolyten och reaktionen mellan den negativa elektroden och bindemedlet.
1 Säkerhetsriskerna med katodmaterial
När litiumjonbatteriet används felaktigt kommer batteriets inre temperatur att öka, och det aktiva materialet i det positiva elektrodmaterialet kommer att sönderdelas och elektrolyten kommer att oxideras. Samtidigt kan dessa två reaktioner generera mycket värme, vilket gör att batteritemperaturen stiger ytterligare. Olika delithiationstillstånd har mycket olika effekter på gitteromvandlingen av det aktiva materialet, nedbrytningstemperaturen och batteriets termiska stabilitet.
2 Säkerhetsriskerna med anodmaterial
Det negativa elektrodmaterialet som användes under de tidiga dagarna var metalliskt litium, och det sammansatta batteriet var benäget att producera litiumdendriter efter upprepad laddning och urladdning, som sedan skulle tränga igenom membranet, vilket fick batteriet att kortsluta, läcka och till och med explodera. Litiuminterkalationsföreningar kan effektivt undvika generering av litiumdendriter och avsevärt förbättra säkerheten för litiumjonbatterier. När temperaturen ökar, reagerar den kolnegativa elektroden i tillståndet av litiuminterkalering först exotermiskt med elektrolyten. Under samma laddnings- och urladdningsförhållanden är värmeavgivningshastigheten för reaktionen mellan elektrolyten och den litium-interkalerade konstgjorda grafiten mycket större än för reaktionen med litium-interkalerade mesofas-kolmikrosfärer, kolfibrer, koks, etc.
3 Säkerhetsriskerna med diafragma och elektrolyt
Litiumjonbatteriets elektrolyt är en blandad lösning av litiumsalt och organiskt lösningsmedel. Det kommersiella litiumsaltet är litiumhexafluorfosfat. Elektrolytens termiska stabilitet. Det organiska lösningsmedlet i elektrolyten är karbonat, som har låg kokpunkt och flampunkt, och som är lätt att reagera med litiumsalt för att frigöra PF5 vid hög temperatur och är lätt att oxidera.
4 Dolda säkerhetsrisker i tillverkningsprocessen
Under tillverkningsprocessen av litiumjonbatterier kommer processer som elektrodtillverkning och batterimontering att påverka batteriets säkerhet. Kvalitetskontrollen av olika processer såsom positiv och negativ elektrodblandning, beläggning, valsning, skärning eller stansning, montering, påfyllning av elektrolyt, tätning och formning påverkar alla batteriets prestanda och säkerhet. Slammets likformighet bestämmer likformigheten hos den aktiva materialfördelningen på elektroden, vilket påverkar batteriets säkerhet. Om uppslamningens finhet är för stor kommer det negativa elektrodmaterialet att genomgå relativt stora förändringar under laddning och urladdning, och utfällning av metalliskt litium kan inträffa; om slammets finhet är för liten blir batteriets inre motstånd för stort. Om beläggningens upphettningstemperatur är för låg eller torktiden är otillräcklig, kommer lösningsmedlet att finnas kvar, och bindemedlet kommer att delvis lösas upp, vilket gör att vissa aktiva material lätt kan skalas; för hög temperatur kan göra att bindemedlet förkolas och de aktiva materialen kan falla av och orsaka interna kortslutningar i batteriet.
5 potentiella säkerhetsrisker under batterianvändning
Litiumjonbatterier bör minimera överladdning eller överurladdning under användning. Speciellt för batterier med hög monomerkapacitet kan termiska störningar orsaka en rad exoterma bireaktioner, vilket leder till säkerhetsproblem.
Tre säkerhetstestindikatorer för litiumjonbatterier
Efter att litiumjonbatteriet har tillverkats, innan det når konsumenten, krävs en serie tester för att säkerställa batteriets säkerhet så mycket som möjligt och minska potentiella säkerhetsrisker.
1. Klämtest: Placera det fulladdade batteriet på en plan yta, applicera ett tryck på 13±1KN med en hydraulcylinder och kläm batteriet från den plana ytan på en stålstav med en diameter på 32 mm. När klämtrycket når maxstoppet Squeeze tar inte batteriet eld, bara'inte explodera.
2. Slagtest: När batteriet är fulladdat, placera det på en plan yta, placera en stålpelare med en diameter på 15,8 mm vertikalt i mitten av batteriet och släpp en vikt på 9,1 kg fritt från en höjd av 610 mm på stålpelaren ovanför batteriet. Batteriet tar inte eld eller exploderar.
3. Överladdningstest: Ladda batteriet helt med 1C, och utför ett överladdningstest enligt 3C överladdning 10V. När batteriet är överladdat stiger spänningen till en viss spänning och stabiliseras under en tid. När det är nära en viss tidsperiod stiger batterispänningen snabbt. När en viss gräns nås dras topplocket av batteriet av, spänningen sjunker till 0V och batteriet tar inte eld eller exploderar.
4. Kortslutningstest: Efter att batteriet är fulladdat kortsluts batteriets positiva och negativa elektroder med en tråd med ett motstånd på högst 50mΩ, och batteriets yttemperatur testas. Den maximala temperaturen på batteriytan är 140 ℃. Batterilocket är öppet och batteriet tar inte eld eller exploderar. .
5. Akupunkturtest: Placera det fulladdade batteriet på en plan yta och stick igenom batteriet i radiell riktning med en stålnål med en diameter på 3 mm. Testbatteriet tar inte eld eller exploderar.
6. Temperaturcykeltest: Temperaturcykeltestet för litiumjonbatterier används för att simulera säkerheten hos litiumjonbatterier när det upprepade gånger utsätts för låg temperatur och hög temperatur under transport eller lagring. Testet är att använda snabba och extrema temperaturer. Ändringar görs. Efter testet ska provet inte brinna, explodera eller läcka.
Fyra litiumjonbatterisäkerhetslösningar
Med tanke på de många dolda säkerhetsriskerna med litiumjonbatterier i material-, tillverknings- och användningsprocessen, är hur man förbättrar de delar som är utsatta för säkerhetsproblem ett problem som litiumjonbatteritillverkare måste lösa.
1 Förbättra säkerheten för elektrolyter
Det finns en hög reaktionsaktivitet mellan elektrolyten och de positiva och negativa elektroderna, speciellt vid höga temperaturer. För att förbättra batteriets säkerhet är en förbättring av elektrolytens säkerhet en av de mer effektiva metoderna. De potentiella säkerhetsriskerna med elektrolyter kan effektivt lösas genom att tillsätta funktionella tillsatser, använda nya litiumsalter och använda nya lösningsmedel.
Beroende på tillsatsernas olika funktioner kan de delas in i följande kategorier: säkerhetsskyddstillsatser, filmbildande tillsatser, positiva elektrodskyddstillsatser, stabiliserande litiumsalttillsatser, litiumutfällningsfrämjande tillsatser, korrosionsskyddande tillsatser för strömkollektor och vätbarhetsförbättrande tillsatser .
För att förbättra prestandan hos kommersiella litiumsalter har forskare bytt ut atomer på dem och erhållit många derivat. Bland dem har föreningar erhållna genom att ersätta atomer med perfluoralkylgrupper många fördelar såsom hög flampunkt, liknande ledningsförmåga och förbättrad vattenbeständighet. , Är en sorts litiumsaltförening med stora tillämpningsmöjligheter. Dessutom har det anjoniska litiumsaltet som erhålls genom att kelera boratomen med syreliganden hög termisk stabilitet.
När det gäller lösningsmedel har många forskare föreslagit en serie nya organiska lösningsmedel, såsom karboxylsyraestrar och organiska etrar. Dessutom har joniska vätskor också en klass av elektrolyter med hög säkerhet, men relativt vanligt använda karbonatbaserade elektrolyter. Viskositeten hos joniska vätskor är storleksordningar högre, och konduktiviteten och jonens självdiffusionskoefficient är låga. Det återstår mycket arbete innan det praktiska. Att göra.
2 Förbättra säkerheten för elektrodmaterial
Litiumjärnfosfat och ternära kompositmaterial anses vara låga kostnader,"utmärkt säkerhet" katodmaterial och kan bli populärt inom elfordonsindustrin. För det positiva elektrodmaterialet är den vanliga metoden för att förbättra dess säkerhet beläggningsmodifiering. Till exempel kan ytbeläggningen av det positiva elektrodmaterialet med en metalloxid förhindra direkt kontakt mellan det positiva elektrodmaterialet och elektrolyten, hämma fasförändringen av det positiva elektrodmaterialet och förbättra dess strukturella stabilitet minskar störningen av katjoner i kristallgittret för att minska värmegenerering genom sidreaktioner.
För det negativa elektrodmaterialet, eftersom ytan ofta är mest utsatt för termokemisk nedbrytning och värmegenerering i litiumjonbatteriet, är förbättring av den termiska stabiliteten hos SEI-filmen en nyckelmetod för att förbättra säkerheten för det negativa elektrodmaterialet. Genom svag oxidation, metall- och metalloxidavsättning, polymer- eller kolbeläggning kan det negativa elektrodmaterialets termiska stabilitet förbättras.
3 Förbättrad batterisäkerhetsskyddsdesign
Förutom att förbättra säkerheten för batterimaterial, antar kommersiella litiumjonbatterier många säkerhetsåtgärder, såsom inställning av batterisäkerhetsventiler, termiska säkringar, seriekoppling av komponenter med positiva temperaturkoefficienter, användning av termiskt förseglade membran, laddning av dedikerade skyddskretsar, och dedikerat batterihanteringssystem, etc., är också ett sätt att förbättra säkerheten.
Säkerhetslösning för fem litiumjonbatterier
Eftersom säkerheten för litiumjonbatterier har väckt mer och mer uppmärksamhet, har många företag bedrivit forskning och utveckling specifikt för potentiella säkerhetsrisker i litiumjonbatterier och lagt fram effektiva batterisäkerhetslösningar.
Som den tidigaste forskaren av varnings- och säkerhetsteknik för inhemskt batteri och säkerhetsteknik och pionjären inom batterilådans speciella automatiska brandsläckningsanordning, var Chuangwei New Energy banbrytande för"litiumjonbatteriets termiska runaway-modell", som främjat termisk övervakning av batterilådan och automatisk brandsläckning. Storskalig tillämpning av teknik.
& quot;Lithium-ion batteri termisk runaway modell" är uppdelad i tre dimensioner: vertikal, horisontell och vertikal. Den vertikala riktningen är dataredundansen för flera sensorer, det vill säga flera uppsättningar av sensordata under samma miljö är monterade för att simulera datakarakteriseringskurvan för olika material och olika miljöer; den horisontella riktningen är den kontinuerliga tidsalgoritmen för sensorns historiska data för att eliminera brus. Interferens löser effektivt problemen med falsklarm, falsklarm och tidig varningsfördröjning i tröskelmetoden; vertikal punktering, trubbig nål eftersläpning och andra metoder används för att simulera den termiska runaway-processen för olika typer av kraftbatterier.
Genom tredimensionell sammansmältning, matematiska metoder, baserade på ett stort antal experiment och verkliga driftsdata, sammanfattas det interna förhållandet mellan olika variabler orsakade av termisk runaway, och neurologiska principer används för att bilda en extremt tidig, mycket tillförlitlig och själv -drift"litiumjon" Batteri termisk runaway modell" inser tidig varning och intelligent kontroll av dolda faror i batteritiden.
Ett stort antal tidiga varningsexempel som inträffade i verklig fordonsdrift bevisade effektiviteten och utvecklingen av denna modell, vilket gör den till kärntekniken för nuvarande batterilådas termiska flyktvarning och automatisk brandsläckning.
Shenzhen Benwei batteri är ett högteknologiskt företag specialiserat på R&D, produktion och försäljning av litiumjonbatterier. Dess produktapplikationsområden omfattar: litiumbatterier för elfordon, litiumbatterier, litiumbatterier för energilagring, etc. Företaget och battericellstillverkare upprätthåller långsiktig stabilitet Samarbetsförhållande och tillämpar de senaste tekniska landvinningarna och koncepten på hela produktserien utvecklingsprocesser. Tillverkningsverkstaden är utrustad med avancerad produktionsutrustning och förstklassiga testinstrument. Samtidigt har den en grupp professionella produktions- och kvalitetsledningsgrupper, strikt varje steg i produktionslänken, och genom kontinuerlig optimering och förbättring av processen för att säkerställa batterisäkerhet.
