Lithium-batterier har fordelene ved bærbarhed og hurtig opladning, så hvorfor cirkulerer bly-syre-batterier og andre sekundære batterier stadig på markedet?
Ud over problemerne med omkostninger og forskellige anvendelsesområder er en anden grund sikkerhed.
Lithium er det mest aktive metal i verden.Fordi dets kemiske egenskaber er for aktive, når lithiummetal udsættes for luften, vil det have en voldsom oxidationsreaktion med ilt, så det er tilbøjeligt til eksplosion, forbrænding og andre fænomener.Derudover vil redoxreaktion også forekomme inde i lithiumbatteriet under op- og afladning.Eksplosion og spontan forbrænding er hovedsageligt forårsaget af akkumulering, diffusion og frigivelse af lithiumbatteri efter opvarmning.Kort sagt vil lithium-batterier generere meget varme under op- og afladningsprocessen, hvilket vil føre til en stigning i batteriets indre temperatur og den ujævne temperatur mellem de enkelte batterier, og dermed forårsage den ustabile ydeevne af batteriet.
Usikker adfærd af termisk løbsk lithium-ion-batteri (herunder batterioveropladning og overafladning, hurtig opladning og afladning, kortslutning, mekaniske misbrugsforhold, termisk stød ved høje temperaturer osv.) vil sandsynligvis udløse farlige sidereaktioner inde i batteriet og generere varme, direkte beskadigelse af den passive film på den negative elektrode og den positive elektrodeoverflade.
Der er mange grunde til at udløse termiske løbsulykker med lithium-ion-batterier.I henhold til egenskaberne ved udløsning kan den opdeles i mekanisk misbrugsudløsning, elektrisk misbrugsudløsning og termisk misbrugsudløsning.Mekanisk misbrug: refererer til akupunktur, ekstrudering og tung genstandspåvirkning forårsaget af køretøjskollision;Elektrisk misbrug: generelt forårsaget af forkert spændingsstyring eller elektrisk komponentfejl, herunder kortslutning, overopladning og overafladning;Varmemisbrug: forårsaget af overophedning forårsaget af forkert temperaturstyring.
Disse tre udløsningsmetoder er indbyrdes forbundne.Mekanisk misbrug vil generelt forårsage deformation eller brud på batterimembranen, hvilket resulterer i direkte kontakt mellem batteriets positive og negative poler og kortslutning, hvilket resulterer i elektrisk misbrug;Men under forudsætning af elektricitetsmisbrug stiger varmeproduktionen såsom Joule-varme, hvilket får batteritemperaturen til at stige, hvilket udvikler sig til varmemisbrug, hvilket yderligere udløser kædetypens varmegenereringssidereaktion inde i batteriet og til sidst fører til forekomsten af batterivarme løbsk.
Batteriets termiske runaway er forårsaget af det faktum, at batteriets varmegenereringshastighed er meget højere end varmeafledningshastigheden, og varmen akkumuleres i en stor mængde, men ikke spredes i tide.I bund og grund er "termisk runaway" en positiv energi-feedback-cyklusproces: den stigende temperatur vil få systemet til at blive varmt, og temperaturen vil stige, efter at systemet bliver varmt, hvilket igen vil få systemet til at blive varmere.
Processen med termisk løb: når batteriets indre temperatur stiger, nedbrydes SEI-filmen på overfladen af SEI-filmen under høj temperatur, lithium-ionen indlejret i grafitten vil reagere med elektrolytten og bindemidlet, hvilket yderligere skubber batteritemperaturen op. til 150 ℃, og en ny voldsom eksoterm reaktion vil opstå ved denne temperatur.Når batteritemperaturen når over 200 ℃, nedbrydes katodematerialet og frigiver en stor mængde varme og gas, og batteriet begynder at bule og varmes konstant op.Den lithiumindlejrede anode begyndte at reagere med elektrolytten ved 250-350 ℃.Det ladede katodemateriale begynder at gennemgå en voldsom nedbrydningsreaktion, og elektrolytten gennemgår en voldsom oxidationsreaktion, frigiver en stor mængde varme, genererer høj temperatur og en stor mængde gas, hvilket forårsager forbrænding og eksplosion af batteriet.
Problemet med lithiumdendritudfældning under overopladning: Efter at lithiumcobalatbatteriet er fuldt opladet, forbliver en stor mængde lithiumioner i den positive elektrode.Det vil sige, at katoden ikke kan holde flere lithiumioner fastgjort til katoden, men i overopladet tilstand vil de overskydende lithiumioner på katoden stadig svømme til katoden.Fordi de ikke kan indesluttes fuldt ud, dannes der metallithium på katoden.Da dette metallithium er en dendritisk krystal, kaldes det dendrit.Hvis dendritten er for lang, er det let at gennembore membranen, hvilket forårsager intern kortslutning.Da hovedkomponenten i elektrolytten er karbonat, er dens antændelsespunkt og kogepunkt lavt, så det vil brænde eller endda eksplodere ved høj temperatur.
Hvis det er et polymer lithiumbatteri, er elektrolytten kolloid, hvilket er tilbøjeligt til mere voldsom forbrænding.For at løse dette problem forsøger forskere at erstatte sikrere katodematerialer.Materialet af lithium manganat batteri har visse fordele.Det kan sikre, at lithium-ionen af den positive elektrode kan være fuldstændig indlejret i kulstofhullet i den negative elektrode under fuld ladningstilstand, i stedet for at have visse rester i den positive elektrode som lithiumcobalat, hvilket til en vis grad undgår generering af dendritter.Den stabile struktur af lithiummanganat gør dets oxidationsevne meget lavere end lithiumcobalats.Selvom der er en ekstern kortslutning (i stedet for en intern kortslutning), kan den grundlæggende undgå forbrænding og eksplosion forårsaget af lithiummetaludfældning.Lithiumjernfosfat har højere termisk stabilitet og lavere oxidationskapacitet af elektrolyt, så det har høj sikkerhed.
Ældningsdæmpningen af lithium-ion-batterier kommer til udtryk ved kapacitetsdæmpning og intern modstandsstigning, og dens interne ældningsdæmpningsmekanisme inkluderer tab af positive og negative aktive materialer og tab af tilgængelige lithiumioner.Når katodematerialet er ældet og henfalder, og katodens kapacitet er utilstrækkelig, er risikoen for lithiumudvikling fra katoden mere sandsynlig.Under tilstanden af overudladning vil potentialet af katode til lithium stige til over 3V, hvilket er højere end opløsningspotentialet for kobber, hvilket forårsager opløsning af kobberkollektor.Opløste kobberioner vil udfældes på katodeoverfladen og danne kobberdendritter.Kobberdendritter vil passere gennem membranen, hvilket forårsager intern kortslutning, hvilket alvorligt påvirker batteriets sikkerhedsydelse.
Derudover vil overladningsmodstanden for aldrende batterier falde til en vis grad, hovedsageligt på grund af stigningen i intern modstand og faldet af positive og negative aktive stoffer, hvilket resulterer i stigningen af joule-varme under overopladningsprocessen af batterier.Ved mindre overopladning kan der udløses sidereaktioner, hvilket forårsager den termiske løb af batterier.Med hensyn til termisk stabilitet vil lithiumudvikling fra katoden føre til et kraftigt fald i batteriets termiske stabilitet.
Kort sagt vil sikkerhedsydelsen af det gamle batteri blive stærkt reduceret, hvilket vil bringe batteriets sikkerhed i alvorlig fare.Den mest almindelige løsning er at udstyre batterienergilagringssystemet med et batteristyringssystem (BMS).For eksempel kan 8000 18650-batterierne, der bruges i Tesla Model S, realisere realtidsovervågning af forskellige fysiske parametre for batteriet, evaluere batteribrugsstatus og udføre online diagnose og tidlig advarsel gennem sit batteristyringssystem.Samtidig kan den også udføre afladnings- og forladningskontrol, batteribalancestyring og termisk styring.
Posttid: Dec-02-2022