Lithiumbatterien haben die Vorteile der Tragbarkeit und des schnellen Aufladens, warum also zirkulieren Blei-Säure-Batterien und andere Sekundärbatterien immer noch auf dem Markt?
Neben der Kostenproblematik und unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten ist ein weiterer Grund die Sicherheit.
Lithium ist das aktivste Metall der Welt.Da seine chemischen Eigenschaften zu aktiv sind, führt Lithiummetall, wenn es der Luft ausgesetzt wird, eine heftige Oxidationsreaktion mit Sauerstoff durch, sodass es anfällig für Explosionen, Verbrennungen und andere Phänomene ist.Darüber hinaus findet während des Ladens und Entladens auch innerhalb der Lithiumbatterie eine Redoxreaktion statt.Explosion und Selbstentzündung werden hauptsächlich durch die Akkumulation, Diffusion und Freisetzung von Lithiumbatterien nach dem Erhitzen verursacht.Kurz gesagt, Lithiumbatterien erzeugen während des Lade- und Entladevorgangs viel Wärme, was zu einem Anstieg der Innentemperatur der Batterie und einer ungleichmäßigen Temperatur zwischen einzelnen Batterien führt, was zu einer instabilen Leistung der Batterie führt.
Unsicheres Verhalten von Lithium-Ionen-Akkus mit thermischem Durchgehen (einschließlich Überladung und Tiefentladung des Akkus, schnelles Laden und Entladen, Kurzschluss, mechanische Missbrauchsbedingungen, Hochtemperatur-Thermoschock usw.) können gefährliche Nebenreaktionen im Inneren des Akkus auslösen und Wärme erzeugen. direktes Beschädigen des passiven Films auf der Oberfläche der negativen Elektrode und der positiven Elektrode.
Es gibt viele Gründe für das Auslösen von Unfällen durch thermisches Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien.Nach den Auslöseeigenschaften kann man sie in mechanische Missbrauchsauslösung, elektrische Missbrauchsauslösung und thermische Missbrauchsauslösung unterteilen.Mechanischer Missbrauch: bezieht sich auf Akupunktur, Extrusion und den Aufprall schwerer Gegenstände, die durch eine Fahrzeugkollision verursacht werden;Elektrischer Missbrauch: im Allgemeinen verursacht durch unsachgemäßes Spannungsmanagement oder Ausfall elektrischer Komponenten, einschließlich Kurzschluss, Überladung und Tiefentladung;Hitzemissbrauch: verursacht durch Überhitzung durch unsachgemäßes Temperaturmanagement.
Diese drei Auslösemethoden sind miteinander verbunden.Mechanischer Missbrauch führt im Allgemeinen zu einer Verformung oder einem Bruch der Batteriemembran, was zu einem direkten Kontakt zwischen den positiven und negativen Polen der Batterie und einem Kurzschluss führt, was zu einem elektrischen Missbrauch führt.Unter der Bedingung des Elektrizitätsmissbrauchs nimmt jedoch die Wärmeerzeugung wie Joulesche Wärme zu, wodurch die Batterietemperatur ansteigt, was sich zu einem Wärmemissbrauch entwickelt, was die Nebenreaktion der Kettentyp-Wärmeerzeugung innerhalb der Batterie weiter auslöst und schließlich zum Auftreten führt von Batterie Hitze Runaway.
Das thermische Durchgehen der Batterie wird durch die Tatsache verursacht, dass die Wärmeerzeugungsrate der Batterie viel höher ist als die Wärmeableitungsrate und die Wärme in einer großen Menge akkumuliert, aber nicht rechtzeitig abgeführt wird.Im Wesentlichen ist „Thermal Runaway“ ein positiver Energierückkopplungsprozess: Die steigende Temperatur führt dazu, dass das System heiß wird, und die Temperatur steigt, nachdem das System heiß geworden ist, was wiederum das System heißer macht.
Der Prozess des thermischen Durchgehens: Wenn die Batterieinnentemperatur ansteigt, zersetzt sich der SEI-Film auf der Oberfläche des SEI-Films unter hoher Temperatur, das im Graphit eingebettete Lithiumion reagiert mit dem Elektrolyten und dem Bindemittel, wodurch die Batterietemperatur weiter nach oben steigt bis 150 ℃, und bei dieser Temperatur tritt eine neue heftige exotherme Reaktion auf.Wenn die Batterietemperatur über 200 ℃ erreicht, zersetzt sich das Kathodenmaterial, wobei eine große Menge an Wärme und Gas freigesetzt wird, und die Batterie beginnt sich zu wölben und sich kontinuierlich zu erhitzen.Die in Lithium eingebettete Anode begann bei 250–350 °C mit dem Elektrolyten zu reagieren.Das geladene Kathodenmaterial beginnt einer heftigen Zersetzungsreaktion zu unterliegen, und der Elektrolyt unterliegt einer heftigen Oxidationsreaktion, wodurch eine große Wärmemenge freigesetzt wird, eine hohe Temperatur und eine große Gasmenge erzeugt wird, was eine Verbrennung und Explosion der Batterie verursacht.
Das Problem der Lithium-Dendriten-Ausscheidung während der Überladung: Nachdem die Lithium-Cobalat-Batterie vollständig aufgeladen ist, verbleibt eine große Menge an Lithium-Ionen in der positiven Elektrode.Das heißt, die Kathode kann nicht mehr an der Kathode haftende Lithiumionen halten, aber im überladenen Zustand schwimmen die überschüssigen Lithiumionen an der Kathode immer noch zur Kathode.Da sie nicht vollständig eingeschlossen werden können, bildet sich metallisches Lithium an der Kathode.Da dieses Metall Lithium ein dendritischer Kristall ist, wird es Dendrit genannt.Wenn der Dendrit zu lang ist, kann die Membran leicht durchbohrt werden, was zu einem internen Kurzschluss führt.Da der Hauptbestandteil des Elektrolyten Karbonat ist, sind sein Zünd- und Siedepunkt niedrig, sodass er bei hohen Temperaturen brennt oder sogar explodiert.
Wenn es sich um eine Polymer-Lithium-Batterie handelt, ist der Elektrolyt kolloidal, was zu einer heftigeren Verbrennung neigt.Um dieses Problem zu lösen, versuchen Wissenschaftler, sicherere Kathodenmaterialien zu ersetzen.Das Material der Lithium-Manganat-Batterie hat gewisse Vorteile.Es kann sicherstellen, dass das Lithiumion der positiven Elektrode im vollen Ladezustand vollständig in das Kohlenstoffloch der negativen Elektrode eingebettet werden kann, anstatt bestimmte Rückstände in der positiven Elektrode wie Lithiumkobalat zu haben, was in gewissem Maße die Bildung von verhindert Dendriten.Die stabile Struktur von Lithiummanganat macht seine Oxidationsleistung viel geringer als die von Lithiumcobalat.Selbst wenn ein externer Kurzschluss (anstelle eines internen Kurzschlusses) vorliegt, kann dies grundsätzlich eine durch Lithiummetallausscheidung verursachte Verbrennung und Explosion vermeiden.Lithiumeisenphosphat hat eine höhere thermische Stabilität und eine geringere Oxidationskapazität des Elektrolyten, sodass es eine hohe Sicherheit aufweist.
Die Alterungsdämpfung von Lithium-Ionen-Batterien manifestiert sich durch Kapazitätsdämpfung und Erhöhung des Innenwiderstands, und ihr interner Alterungsdämpfungsmechanismus umfasst den Verlust von positiven und negativen aktiven Materialien und den Verlust von verfügbaren Lithiumionen.Wenn das Kathodenmaterial gealtert und zerfallen ist und die Kapazität der Kathode unzureichend ist, ist das Risiko einer Lithiumentwicklung aus der Kathode wahrscheinlicher.Unter der Bedingung einer Überentladung steigt das Potential der Kathode zu Lithium auf über 3 V, was höher ist als das Auflösungspotential von Kupfer, was die Auflösung des Kupferkollektors verursacht.Gelöste Kupferionen werden auf der Kathodenoberfläche ausgefällt und Kupferdendriten bilden.Kupferdendriten passieren die Membran und verursachen einen internen Kurzschluss, der die Sicherheitsleistung der Batterie ernsthaft beeinträchtigt.
Darüber hinaus nimmt die Überladefestigkeit alternder Batterien bis zu einem gewissen Grad ab, hauptsächlich aufgrund der Erhöhung des Innenwiderstands und der Abnahme positiver und negativer aktiver Substanzen, was zu einer Erhöhung der Joule-Wärme während des Überladevorgangs von Batterien führt.Bei geringerer Überladung können Nebenreaktionen ausgelöst werden, die zum thermischen Durchgehen von Batterien führen.Hinsichtlich der thermischen Stabilität wird die Lithiumentwicklung aus der Kathode zu einem starken Abfall der thermischen Stabilität der Batterie führen.
Mit einem Wort, die Sicherheitsleistung der gealterten Batterie wird stark reduziert, was die Sicherheit der Batterie ernsthaft gefährden wird.Die gängigste Lösung besteht darin, den Batteriespeicher mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) auszustatten.Beispielsweise können die im Tesla Model S verwendeten 8000 18650-Batterien eine Echtzeitüberwachung verschiedener physikalischer Parameter der Batterie realisieren, den Batterienutzungsstatus auswerten und über das Batteriemanagementsystem eine Online-Diagnose und Frühwarnung durchführen.Gleichzeitig kann es auch eine Entlade- und Vorladesteuerung, ein Batterieausgleichsmanagement und ein Wärmemanagement durchführen.
Postzeit: 02. Dezember 2022