سلامة بطارية الليثيوم

تتميز بطاريات الليثيوم بإمكانية النقل والشحن السريع ، فلماذا لا تزال بطاريات الرصاص الحمضية والبطاريات الثانوية الأخرى منتشرة في السوق؟
بالإضافة إلى مشاكل التكلفة ومجالات التطبيق المختلفة ، هناك سبب آخر وهو الأمان.
الليثيوم هو أكثر المعادن نشاطا في العالم.نظرًا لأن خصائصه الكيميائية نشطة للغاية ، فعندما يتعرض معدن الليثيوم للهواء ، سيكون له تفاعل أكسدة شرس مع الأكسجين ، لذلك فهو عرضة للانفجار والاحتراق والظواهر الأخرى.بالإضافة إلى ذلك ، سيحدث تفاعل الأكسدة والاختزال داخل بطارية الليثيوم أثناء الشحن والتفريغ.يحدث الانفجار والاحتراق التلقائي بشكل أساسي بسبب تراكم وانتشار وإطلاق بطارية الليثيوم بعد التسخين.باختصار ، تولد بطاريات الليثيوم الكثير من الحرارة أثناء عملية الشحن والتفريغ ، مما سيؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الداخلية للبطارية وتفاوت درجة الحرارة بين البطاريات الفردية ، مما يتسبب في عدم استقرار أداء البطارية.
من المحتمل أن تؤدي السلوكيات غير الآمنة لبطارية ليثيوم أيون الحرارية الجامحة (بما في ذلك الشحن الزائد للبطارية والتفريغ الزائد ، والشحن والتفريغ السريع ، والدائرة القصيرة ، وظروف سوء الاستخدام الميكانيكي ، والصدمة الحرارية عالية الحرارة ، وما إلى ذلك) إلى تفاعلات جانبية خطيرة داخل البطارية وتوليد الحرارة ، إتلاف مباشر للفيلم السلبي على القطب السالب وسطح القطب الموجب.
هناك العديد من الأسباب للتسبب في حوادث الهروب الحراري لبطاريات الليثيوم أيون.وفقًا لخصائص التحفيز ، يمكن تقسيمها إلى إثارة إساءة استخدام ميكانيكية ، وإحداث إساءة استخدام كهربائية ، وإحداث إساءة استخدام حراري.سوء الاستخدام الميكانيكي: يشير إلى الوخز بالإبر والبثق وتأثير الجسم الثقيل الناجم عن اصطدام السيارة ؛إساءة استخدام الكهرباء: ناتجة بشكل عام عن الإدارة غير السليمة للجهد أو فشل المكونات الكهربائية ، بما في ذلك ماس كهربائى ، والشحن الزائد ، والإفراط في التفريغ ؛إساءة استخدام الحرارة: ناتجة عن ارتفاع درجة الحرارة بسبب سوء إدارة درجة الحرارة.

هذه الطرق الثلاث مترابطة.يتسبب سوء الاستخدام الميكانيكي عمومًا في حدوث تشوه أو تمزق في الحجاب الحاجز للبطارية ، مما يؤدي إلى اتصال مباشر بين القطبين الموجب والسالب للبطارية وقصر الدائرة ، مما يؤدي إلى سوء استخدام الكهرباء ؛ومع ذلك ، في حالة سوء استخدام الكهرباء ، يزداد توليد الحرارة مثل حرارة جول ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البطارية ، مما يؤدي إلى إساءة استخدام الحرارة ، مما يؤدي إلى زيادة التفاعل الجانبي لتوليد الحرارة من النوع المتسلسل داخل البطارية ، ويؤدي في النهاية إلى حدوث من هروب حرارة البطارية.
يحدث الهروب الحراري للبطارية بسبب حقيقة أن معدل توليد الحرارة للبطارية أعلى بكثير من معدل تبديد الحرارة ، وتتراكم الحرارة بكميات كبيرة ولكنها لا تتبدد بمرور الوقت.في جوهرها ، "الهروب الحراري" هو عملية دورة تغذية مرتدة إيجابية للطاقة: سيؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى جعل النظام ساخنًا ، وسترتفع درجة الحرارة بعد أن يصبح النظام ساخنًا ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة سخونة النظام.
عملية الهروب الحراري: عندما ترتفع درجة الحرارة الداخلية للبطارية ، يتحلل فيلم SEI الموجود على سطح فيلم SEI تحت درجة حرارة عالية ، ويتفاعل أيون الليثيوم الموجود في الجرافيت مع المنحل بالكهرباء والموثق ، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة البطارية إلى الأعلى إلى 150 ℃ ، وسيحدث تفاعل طارد للحرارة عنيف جديد عند درجة الحرارة هذه.عندما تصل درجة حرارة البطارية إلى أكثر من 200 درجة مئوية ، تتحلل مادة الكاثود ، وتطلق كمية كبيرة من الحرارة والغاز ، وتبدأ البطارية في الانتفاخ وتسخن باستمرار.بدأ أنود الليثيوم المدمج في التفاعل مع المنحل بالكهرباء عند 250-350 ℃.تبدأ مادة الكاثود المشحونة في الخضوع لتفاعل تحلل عنيف ، ويخضع الإلكتروليت لتفاعل أكسدة عنيف ، مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الحرارة ، وتوليد درجة حرارة عالية وكمية كبيرة من الغاز ، مما يتسبب في احتراق البطارية وانفجارها.
مشكلة ترسب التغصنات الليثيوم أثناء الشحن الزائد: بعد شحن بطارية الليثيوم كوبالات بالكامل ، تبقى كمية كبيرة من أيونات الليثيوم في القطب الموجب.وهذا يعني أن الكاثود لا يمكنه حمل المزيد من أيونات الليثيوم المرتبطة بالكاثود ، ولكن في حالة الشحن الزائد ، ستظل أيونات الليثيوم الزائدة على الكاثود تسبح إلى الكاثود.لأنه لا يمكن احتوائها بالكامل ، سيتشكل الليثيوم المعدني على الكاثود.نظرًا لأن هذا الليثيوم المعدني عبارة عن بلور شجيري ، فإنه يطلق عليه dendrite.إذا كان التغصن طويلًا جدًا ، فمن السهل اختراق الحجاب الحاجز ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي داخلي.نظرًا لأن المكون الرئيسي للإلكتروليت هو الكربونات ، فإن نقطة اشتعاله ونقطة غليانه منخفضة ، لذلك سوف يحترق أو حتى ينفجر عند درجة حرارة عالية.

إذا كانت بطارية ليثيوم بوليمر ، فإن المنحل بالكهرباء غرواني ، وهو عرضة لاحتراق أكثر عنفًا.لحل هذه المشكلة ، يحاول العلماء استبدال مواد الكاثود الأكثر أمانًا.مادة بطارية منغنات الليثيوم لها مزايا معينة.يمكن أن يضمن أن أيون الليثيوم للقطب الموجب يمكن دمجه بالكامل في ثقب الكربون للقطب السالب تحت حالة الشحن الكامل ، بدلاً من وجود بقايا معينة في القطب الموجب مثل كوبونات الليثيوم ، والذي يتجنب إلى حد ما توليد التشعبات.يجعل الهيكل المستقر لمنجنات الليثيوم أداء الأكسدة أقل بكثير من أداء كوبونات الليثيوم.حتى إذا كان هناك ماس كهربائي خارجي (بدلاً من دائرة قصر داخلية) ، فيمكنه بشكل أساسي تجنب الاحتراق والانفجار الناجم عن ترسيب معدن الليثيوم.يتمتع فوسفات الحديد الليثيوم باستقرار حراري أعلى وقدرة أكسدة أقل للكهرباء ، لذلك يتمتع بسلامة عالية.
يتجلى توهين الشيخوخة لبطارية الليثيوم أيون من خلال توهين السعة وزيادة المقاومة الداخلية ، وتشمل آلية توهين الشيخوخة الداخلية فقدان المواد النشطة الإيجابية والسلبية وفقدان أيونات الليثيوم المتاحة.عندما تتقادم مادة الكاثود وتتحلل ، وتكون سعة الكاثود غير كافية ، فمن المرجح أن يحدث خطر تطور الليثيوم من الكاثود.في حالة الإفراط في التفريغ ، سترتفع إمكانات الكاثود إلى الليثيوم إلى ما يزيد عن 3 فولت ، وهو أعلى من احتمال انحلال النحاس ، مما يتسبب في تفكك مجمع النحاس.سوف تترسب أيونات النحاس الذائبة على سطح الكاثود وتشكل تشعبات نحاسية.سوف تمر التشعبات النحاسية عبر الحجاب الحاجز ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي داخلي ، مما يؤثر بشكل خطير على أداء سلامة البطارية.
بالإضافة إلى ذلك ، ستنخفض مقاومة الشحن الزائد للبطاريات القديمة إلى حد ما ، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة المقاومة الداخلية وانخفاض المواد الفعالة الإيجابية والسلبية ، مما يؤدي إلى زيادة حرارة الجول أثناء عملية الشحن الزائد للبطاريات.في ظل انخفاض الشحن الزائد ، قد تحدث ردود فعل جانبية ، مما يتسبب في الهروب الحراري للبطاريات.من حيث الاستقرار الحراري ، فإن تطور الليثيوم من الكاثود سيؤدي إلى انخفاض حاد في الاستقرار الحراري للبطارية.
باختصار ، سيتم تقليل أداء السلامة للبطارية القديمة بشكل كبير ، مما يعرض سلامة البطارية للخطر بشكل خطير.الحل الأكثر شيوعًا هو تزويد نظام تخزين طاقة البطارية بنظام إدارة البطارية (BMS).على سبيل المثال ، يمكن للبطاريات 800018650 المستخدمة في Tesla Model S أن تحقق المراقبة في الوقت الفعلي للعديد من المعلمات الفيزيائية للبطارية ، وتقييم حالة استخدام البطارية ، وإجراء التشخيص والإنذار المبكر عبر الإنترنت من خلال نظام إدارة البطارية.في الوقت نفسه ، يمكنه أيضًا إجراء التحكم في التفريغ والشحن المسبق وإدارة توازن البطارية والإدارة الحرارية.