Lithiumbatterijen hebben de voordelen van draagbaarheid en snel opladen, dus waarom circuleren loodzuurbatterijen en andere secundaire batterijen nog steeds op de markt?
Naast de problemen van kosten en verschillende toepassingsgebieden, is een andere reden veiligheid.
Lithium is het meest actieve metaal ter wereld.Omdat de chemische eigenschappen te actief zijn, zal lithiummetaal, wanneer het wordt blootgesteld aan de lucht, een felle oxidatiereactie met zuurstof hebben, dus het is vatbaar voor explosie, verbranding en andere verschijnselen.Bovendien zal tijdens het opladen en ontladen ook een redoxreactie optreden in de lithiumbatterij.Explosie en zelfontbranding worden voornamelijk veroorzaakt door de accumulatie, diffusie en afgifte van lithiumbatterijen na verhitting.Kortom, lithiumbatterijen genereren veel warmte tijdens het laad- en ontlaadproces, wat zal leiden tot een stijging van de interne temperatuur van de batterij en de ongelijke temperatuur tussen individuele batterijen, waardoor de batterij onstabiel wordt.
Onveilig gedrag van thermisch op hol geslagen lithium-ionbatterijen (waaronder overladen en te diep ontladen van de batterij, snel opladen en ontladen, kortsluiting, mechanisch misbruik, thermische schokken bij hoge temperatuur, enz.) zal waarschijnlijk gevaarlijke nevenreacties in de batterij veroorzaken en warmte genereren, direct de passieve film op de negatieve elektrode en het positieve elektrodeoppervlak beschadigen.
Er zijn veel redenen voor het veroorzaken van thermische ongevallen met lithium-ionbatterijen.Volgens de kenmerken van triggering kan het worden onderverdeeld in triggering van mechanisch misbruik, triggering van elektrisch misbruik en triggering van thermisch misbruik.Mechanisch misbruik: verwijst naar acupunctuur, extrusie en impact van zware voorwerpen veroorzaakt door een voertuigbotsing;Elektrisch misbruik: meestal veroorzaakt door onjuist spanningsbeheer of defecten aan elektrische componenten, waaronder kortsluiting, overbelasting en overmatige ontlading;Hittemisbruik: veroorzaakt door oververhitting veroorzaakt door onjuist temperatuurbeheer.
Deze drie activeringsmethoden zijn met elkaar verbonden.Mechanisch misbruik veroorzaakt over het algemeen vervorming of breuk van het batterijmembraan, wat resulteert in direct contact tussen de positieve en negatieve polen van de batterij en kortsluiting, wat resulteert in elektrisch misbruik;Echter, onder de voorwaarde van elektriciteitsmisbruik, neemt de warmteontwikkeling, zoals Joule-warmte, toe, waardoor de batterijtemperatuur stijgt, wat zich ontwikkelt tot warmtemisbruik, waardoor de nevenreactie van het kettingtype warmteontwikkeling in de batterij verder wordt geactiveerd en uiteindelijk leidt tot het optreden van batterij warmte weglopen.
Thermische runaway van de batterij wordt veroorzaakt door het feit dat de warmteontwikkelingssnelheid van de batterij veel hoger is dan de warmtedissipatiesnelheid, en de warmte wordt in grote hoeveelheden geaccumuleerd maar niet in de tijd afgevoerd.In wezen is "thermal runaway" een cyclusproces met positieve energiefeedback: de stijgende temperatuur zal ervoor zorgen dat het systeem heet wordt, en de temperatuur zal stijgen nadat het systeem heet is geworden, wat op zijn beurt het systeem heter zal maken.
Het proces van thermische runaway: wanneer de interne temperatuur van de batterij stijgt, ontleedt de SEI-film op het oppervlak van de SEI-film onder hoge temperatuur, het lithiumion dat in het grafiet is ingebed, zal reageren met het elektrolyt en het bindmiddel, waardoor de batterij verder omhoog gaat tot 150 ℃, en bij deze temperatuur zal een nieuwe hevige exotherme reactie optreden.Wanneer de batterijtemperatuur boven de 200 ℃ komt, ontleedt het kathodemateriaal, waarbij een grote hoeveelheid warmte en gas vrijkomt, en de batterij begint op te zwellen en continu op te warmen.De in lithium ingebedde anode begon te reageren met de elektrolyt bij 250-350 ℃.Het geladen kathodemateriaal begint een gewelddadige ontledingsreactie te ondergaan en de elektrolyt ondergaat een gewelddadige oxidatiereactie, waarbij een grote hoeveelheid warmte vrijkomt, hoge temperaturen en een grote hoeveelheid gas worden gegenereerd, waardoor verbranding en explosie van de batterij ontstaat.
Het probleem van lithiumdendrietneerslag tijdens overladen: nadat de lithiumcobalaatbatterij volledig is opgeladen, blijft er een grote hoeveelheid lithiumionen achter in de positieve elektrode.Dat wil zeggen, de kathode kan niet meer lithiumionen vasthouden die aan de kathode zijn bevestigd, maar in overladen toestand zullen de overtollige lithiumionen op de kathode nog steeds naar de kathode zwemmen.Omdat ze niet volledig kunnen worden ingesloten, vormt zich metaallithium op de kathode.Aangezien dit metaallithium een dendritisch kristal is, wordt het dendriet genoemd.Als de dendriet te lang is, kan het diafragma gemakkelijk worden doorboord, waardoor interne kortsluiting ontstaat.Omdat het hoofdbestanddeel van elektrolyt carbonaat is, zijn het ontstekingspunt en het kookpunt laag, zodat het bij hoge temperatuur zal verbranden of zelfs exploderen.
Als het een polymeer-lithiumbatterij is, is de elektrolyt colloïdaal, wat vatbaarder is voor heftigere verbranding.Om dit probleem op te lossen, proberen wetenschappers veiligere kathodematerialen te vervangen.Het materiaal van de lithiummangaanbatterij heeft bepaalde voordelen.Het kan ervoor zorgen dat het lithiumion van de positieve elektrode volledig kan worden ingebed in het koolstofgat van de negatieve elektrode onder volledige lading, in plaats van bepaalde residuen in de positieve elektrode te hebben, zoals lithiumcobalaat, wat tot op zekere hoogte het genereren van dendrieten.De stabiele structuur van lithiummanganaat maakt de oxidatieprestaties veel lager dan die van lithiumcobalaat.Zelfs als er een externe kortsluiting is (in plaats van een interne kortsluiting), kan dit in principe verbranding en explosie veroorzaakt door neerslag van lithiummetaal voorkomen.Lithium-ijzerfosfaat heeft een hogere thermische stabiliteit en een lagere oxidatiecapaciteit van elektrolyt, dus het heeft een hoge veiligheid.
De verzwakking door veroudering van een lithium-ionbatterij komt tot uiting door capaciteitsverzwakking en toename van de interne weerstand, en het interne verouderingsverzwakkingsmechanisme omvat verlies van positieve en negatieve actieve materialen en verlies van beschikbare lithiumionen.Wanneer het kathodemateriaal verouderd en vervallen is en de capaciteit van de kathode onvoldoende is, is de kans groter dat er lithium uit de kathode vrijkomt.Onder de voorwaarde van overmatige ontlading zal het potentieel van kathode tot lithium stijgen tot boven 3V, wat hoger is dan het oplospotentieel van koper, waardoor de koperen collector oplost.Opgeloste koperionen slaan neer op het kathodeoppervlak en vormen koperen dendrieten.Koperen dendrieten gaan door het diafragma en veroorzaken interne kortsluiting, wat de veiligheidsprestaties van de batterij ernstig aantast.
Daarnaast zal de overlaadweerstand van verouderende batterijen tot op zekere hoogte afnemen, voornamelijk door de toename van de interne weerstand en de afname van positieve en negatieve actieve stoffen, met als gevolg een toename van de joule-warmte tijdens het overladen van batterijen.Bij minder overladen kunnen nevenreacties worden geactiveerd, waardoor de batterijen oververhit raken.Wat de thermische stabiliteit betreft, zal de evolutie van lithium uit de kathode leiden tot een sterke afname van de thermische stabiliteit van de batterij.
Kortom, de veiligheidsprestaties van de verouderde batterij zullen sterk worden verminderd, wat de veiligheid van de batterij ernstig in gevaar zal brengen.De meest gebruikelijke oplossing is om het batterij-energieopslagsysteem uit te rusten met een batterijbeheersysteem (BMS).De 8000 18650-batterijen die in Tesla Model S worden gebruikt, kunnen bijvoorbeeld real-time monitoring van verschillende fysieke parameters van de batterij realiseren, de gebruiksstatus van de batterij evalueren en online diagnose en vroegtijdige waarschuwing uitvoeren via het batterijbeheersysteem.Tegelijkertijd kan het ook ontladings- en voorlaadcontrole, batterijbalansbeheer en thermisch beheer uitvoeren.
Posttijd: 02-dec-2022