Bezpečnosť lítiovej batérie

Lítiové batérie majú výhody prenosnosti a rýchleho nabíjania, tak prečo na trhu stále cirkulujú olovené batérie a iné sekundárne batérie?
Okrem problémov s cenou a rôznymi oblasťami použitia je ďalším dôvodom bezpečnosť.
Lítium je najaktívnejší kov na svete.Pretože jeho chemické vlastnosti sú príliš aktívne, keď je lítium vystavené vzduchu, bude mať prudkú oxidačnú reakciu s kyslíkom, takže je náchylné na výbuch, horenie a iné javy.Okrem toho dôjde k redoxnej reakcii aj vo vnútri lítiovej batérie počas nabíjania a vybíjania.Výbuch a samovznietenie sú spôsobené hlavne nahromadením, difúziou a uvoľnením lítiovej batérie po zahriatí.Stručne povedané, lítiové batérie budú počas procesu nabíjania a vybíjania generovať veľa tepla, čo povedie k zvýšeniu vnútornej teploty batérie a nerovnomernej teplote medzi jednotlivými batériami, čo spôsobí nestabilný výkon batérie.
Nebezpečné správanie tepelne nekontrolovateľnej lítium-iónovej batérie (vrátane nadmerného nabitia a nadmerného vybitia batérie, rýchleho nabíjania a vybíjania, skratu, podmienok mechanického zneužitia, teplotného šoku pri vysokej teplote atď.) pravdepodobne spustí nebezpečné vedľajšie reakcie vo vnútri batérie a vytvorí teplo, priamemu poškodeniu pasívneho filmu na zápornej elektróde a kladnej elektróde.
Existuje mnoho dôvodov na spustenie nehôd s tepelným únikom lítium-iónových batérií.Podľa charakteristík spúšťania je možné ho rozdeliť na mechanické spúšťanie, elektrické spúšťanie a tepelné spúšťanie.Mechanické zneužitie: vzťahuje sa na akupunktúru, vytláčanie a náraz ťažkých predmetov spôsobených zrážkou vozidla;Zneužívanie elektrického prúdu: vo všeobecnosti spôsobené nesprávnym riadením napätia alebo poruchou elektrických komponentov, vrátane skratu, nadmerného nabitia a nadmerného vybitia;Zneužívanie tepla: spôsobené prehriatím spôsobeným nesprávnym riadením teploty.

Tieto tri spúšťacie metódy sú vzájomne prepojené.Mechanické zneužitie vo všeobecnosti spôsobí deformáciu alebo prasknutie membrány batérie, čo má za následok priamy kontakt medzi kladným a záporným pólom batérie a skrat, čo má za následok elektrické zneužitie;V podmienkach zneužívania elektriny sa však generovanie tepla, ako je Jouleovo teplo, zvyšuje, čo spôsobuje zvýšenie teploty batérie, čo sa rozvinie do zneužívania tepla, čo ďalej spúšťa vedľajšiu reakciu vytvárania tepla reťazového typu vo vnútri batérie a nakoniec vedie k výskytu úniku tepla z batérie.
Tepelný únik batérie je spôsobený skutočnosťou, že rýchlosť generovania tepla batérie je oveľa vyššia ako rýchlosť rozptylu tepla a teplo sa akumuluje vo veľkom množstve, ale nie je rozptýlené v čase.„Tepelný únik“ je v podstate proces cyklu pozitívnej energetickej spätnej väzby: rastúca teplota spôsobí zahriatie systému a teplota sa zvýši, keď sa systém zahreje, čo následne spôsobí, že sa systém zahrieva.
Proces tepelného úniku: keď vnútorná teplota batérie stúpne, film SEI na povrchu filmu SEI sa pri vysokej teplote rozkladá, lítium-ión vložený do grafitu bude reagovať s elektrolytom a spojivom, čo ďalej zvyšuje teplotu batérie na 150 ℃ a pri tejto teplote dôjde k novej prudkej exotermickej reakcii.Keď teplota batérie dosiahne viac ako 200 ℃, materiál katódy sa rozkladá, pričom sa uvoľňuje veľké množstvo tepla a plynu a batéria sa začne vydúvať a neustále sa zahrieva.Anóda vložená do lítia začala reagovať s elektrolytom pri 250-350 °C.Nabitý katódový materiál začne podliehať prudkej rozkladnej reakcii a elektrolyt podstúpi prudkú oxidačnú reakciu, pri ktorej sa uvoľní veľké množstvo tepla, vytvorí sa vysoká teplota a veľké množstvo plynu, čo spôsobí horenie a výbuch batérie.
Problém precipitácie lítneho dendritu počas prebitia: Po úplnom nabití lítium-kobalátovej batérie zostáva v kladnej elektróde veľké množstvo lítiových iónov.To znamená, že katóda nemôže držať viac lítiových iónov pripojených ku katóde, ale v prebitom stave budú prebytočné lítiové ióny na katóde stále plávať ku katóde.Pretože ich nemožno úplne zadržať, na katóde sa vytvorí kovové lítium.Pretože tento kovový lítium je dendritický kryštál, nazýva sa dendrit.Ak je dendrit príliš dlhý, je ľahké prepichnúť membránu a spôsobiť vnútorný skrat.Keďže hlavnou zložkou elektrolytu je uhličitan, jeho bod vznietenia a bod varu sú nízke, takže pri vysokej teplote bude horieť alebo dokonca explodovať.

Ak ide o polymérovú lítiovú batériu, elektrolyt je koloidný, ktorý je náchylný na prudšie horenie.Aby sa tento problém vyriešil, vedci sa snažia nahradiť bezpečnejšie katódové materiály.Materiál lítium-manganátovej batérie má určité výhody.Môže zabezpečiť, že lítiový ión kladnej elektródy môže byť úplne vložený do uhlíkového otvoru zápornej elektródy v stave plného nabitia, namiesto toho, aby mal v kladnej elektróde určité zvyšky, ako je kobalát lítny, čo do určitej miery zabraňuje tvorbe dendrity.Vďaka stabilnej štruktúre manganistanu lítneho je jeho oxidačný výkon oveľa nižší ako u kobalátu lítneho.Aj keď dôjde k vonkajšiemu skratu (skôr ako k vnútornému skratu), môže sa v podstate vyhnúť spaľovaniu a výbuchu spôsobenému zrážaním kovového lítia.Fosforečnan lítno-železitý má vyššiu tepelnú stabilitu a nižšiu oxidačnú kapacitu elektrolytu, takže má vysokú bezpečnosť.
Útlm starnutia lítium-iónovej batérie sa prejavuje útlmom kapacity a zvýšením vnútorného odporu a mechanizmus vnútorného útlmu starnutia zahŕňa stratu pozitívnych a negatívnych aktívnych materiálov a stratu dostupných lítiových iónov.Keď je materiál katódy zostarnutý a rozpadnutý a kapacita katódy je nedostatočná, je pravdepodobnejšie, že nastane riziko uvoľňovania lítia z katódy.V podmienkach nadmerného vybitia sa potenciál katódy na lítium zvýši nad 3 V, čo je vyššie ako rozpúšťací potenciál medi, čo spôsobí rozpustenie medeného kolektora.Rozpustené ióny medi sa vyzrážajú na povrchu katódy a vytvoria medené dendrity.Medené dendrity prejdú cez membránu a spôsobia vnútorný skrat, ktorý vážne ovplyvní bezpečnosť batérie.
Okrem toho sa do určitej miery zníži odolnosť starnúcich batérií proti prebitiu, najmä v dôsledku zvýšenia vnútorného odporu a poklesu pozitívnych a negatívnych aktívnych látok, čo má za následok zvýšenie joulového tepla počas procesu prebíjania batérií.Pri menšom prebíjaní sa môžu spustiť vedľajšie reakcie, ktoré spôsobia tepelný únik batérií.Pokiaľ ide o tepelnú stabilitu, vývoj lítia z katódy povedie k prudkému poklesu tepelnej stability batérie.
Jedným slovom, bezpečnostný výkon starej batérie sa výrazne zníži, čo vážne ohrozí bezpečnosť batérie.Najbežnejším riešením je vybaviť systém na ukladanie energie batérie systémom správy batérie (BMS).Napríklad batérie 8000 18650 používané v Tesle Model S dokážu realizovať monitorovanie rôznych fyzikálnych parametrov batérie v reálnom čase, vyhodnocovať stav používania batérie a vykonávať online diagnostiku a včasné varovanie prostredníctvom systému správy batérie.Súčasne môže vykonávať aj kontrolu vybíjania a prednabíjania, správu vyváženia batérie a správu teploty.