Litijeve baterije imajo prednosti prenosljivosti in hitrega polnjenja, zakaj torej svinčeno-kislinske baterije in druge sekundarne baterije še vedno krožijo na trgu?
Poleg težav s stroški in različnimi področji uporabe je še en razlog varnost.
Litij je najbolj aktivna kovina na svetu.Ker so njegove kemične lastnosti preveč aktivne, bo kovinski litij, ko je izpostavljen zraku, imel močno oksidacijsko reakcijo s kisikom, zato je nagnjen k eksploziji, vžigu in drugim pojavom.Poleg tega se bo med polnjenjem in praznjenjem znotraj litijeve baterije pojavila redoks reakcija.Eksplozijo in spontano vžig povzročata predvsem kopičenje, difuzija in sproščanje litijeve baterije po segrevanju.Skratka, litijeve baterije bodo med procesom polnjenja in praznjenja ustvarile veliko toplote, kar bo povzročilo dvig notranje temperature baterije in neenakomerno temperaturo med posameznimi baterijami, kar bo povzročilo nestabilno delovanje baterije.
Nevarno vedenje litij-ionske baterije s termičnim uhajanjem (vključno s prenapolnjenostjo in prekomerno izpraznjenostjo baterije, hitrim polnjenjem in praznjenjem, kratkim stikom, pogoji mehanske zlorabe, visokotemperaturnim toplotnim šokom itd.) bo verjetno sprožilo nevarne stranske reakcije v bateriji in ustvarilo toploto, neposredno poškoduje pasivni film na površini negativne elektrode in pozitivne elektrode.
Obstaja veliko razlogov za sprožitev nesreč zaradi termičnega uhajanja litij-ionskih baterij.Glede na značilnosti proženja ga lahko razdelimo na mehansko proženje, električno proženje in toplotno proženje.Mehanska zloraba: nanaša se na akupunkturo, iztiskanje in udarce s težkimi predmeti, ki jih povzroči trk vozila;Električna zloraba: običajno posledica nepravilnega upravljanja napetosti ali okvare električne komponente, vključno s kratkim stikom, prenapolnjenostjo in prekomerno izpraznitvijo;Zloraba toplote: nastane zaradi pregrevanja zaradi nepravilnega upravljanja temperature.
Ti trije načini proženja so med seboj povezani.Mehanska zloraba na splošno povzroči deformacijo ali pretrganje membrane baterije, kar povzroči neposreden stik med pozitivnim in negativnim polom baterije ter kratek stik, kar povzroči električno zlorabo;Vendar pa se v pogojih zlorabe električne energije proizvodnja toplote, kot je joulova toplota, poveča, kar povzroči dvig temperature akumulatorja, kar se razvije v zlorabo toplote, kar dodatno sproži stransko reakcijo verižnega proizvajanja toplote znotraj baterije in končno vodi do pojava odvajanja toplote iz baterije.
Toplotni beg baterije je posledica dejstva, da je stopnja proizvodnje toplote baterije veliko višja od stopnje odvajanja toplote, toplota pa se akumulira v veliki količini, vendar se ne razprši pravočasno.V bistvu je »toplotni beg« proces cikla pozitivne povratne informacije o energiji: naraščajoča temperatura bo povzročila, da se bo sistem segrel, temperatura pa bo narasla, ko se bo sistem segrel, zaradi česar bo sistem postal bolj vroč.
Proces termičnega uhajanja: ko se notranja temperatura akumulatorja dvigne, se film SEI na površini filma SEI razgradi pod visoko temperaturo, litijev ion, vdelan v grafit, reagira z elektrolitom in vezivom, kar dodatno dvigne temperaturo akumulatorja do 150 ℃ in pri tej temperaturi bo prišlo do nove burne eksotermne reakcije.Ko temperatura baterije doseže nad 200 ℃, se material katode razgradi, pri čemer se sprosti velika količina toplote in plina, baterija pa se začne izbočiti in nenehno segreva.Litijeva vgrajena anoda je začela reagirati z elektrolitom pri 250-350 ℃.Napolnjeni katodni material začne burno razpadati, elektrolit pa burno oksidira, pri čemer se sprosti velika količina toplote, nastane visoka temperatura in velika količina plina, kar povzroči zgorevanje in eksplozijo baterije.
Težava z obarjanjem litijevega dendrita med prekomernim polnjenjem: Ko je litijeva kobalatna baterija popolnoma napolnjena, ostane velika količina litijevih ionov v pozitivni elektrodi.To pomeni, da katoda ne more zadržati več litijevih ionov, pritrjenih na katodo, toda v prenapolnjenem stanju bodo odvečni litijevi ioni na katodi še vedno plavali k katodi.Ker jih ni mogoče popolnoma zadržati, bo na katodi nastal kovinski litij.Ker je ta kovinski litij dendritični kristal, se imenuje dendrit.Če je dendrit predolg, lahko zlahka predremo diafragmo in povzročimo notranji kratek stik.Ker je glavna sestavina elektrolita karbonat, sta njegova točka vžiga in vrelišče nizka, zato bo pri visoki temperaturi zagorel ali celo eksplodiral.
Če gre za polimerno litijevo baterijo, je elektrolit koloiden, ki je nagnjen k močnejšemu gorenju.Da bi rešili ta problem, znanstveniki poskušajo zamenjati varnejše katodne materiale.Material litij-manganatne baterije ima določene prednosti.Zagotovi lahko, da se lahko litijev ion pozitivne elektrode popolnoma vgradi v ogljikovo luknjo negativne elektrode pod stanjem polnega naboja, namesto da bi imeli določene ostanke v pozitivni elektrodi, kot je litijev kobalat, kar do neke mere prepreči ustvarjanje dendriti.Zaradi stabilne strukture litijevega manganata je njegova oksidacijska učinkovitost precej nižja kot pri litijevem kobalatu.Tudi če pride do zunanjega kratkega stika (namesto notranjega kratkega stika), se lahko v bistvu izogne zgorevanju in eksploziji, ki ju povzroči padavina kovinskega litija.Litijev železov fosfat ima večjo toplotno stabilnost in manjšo oksidacijsko sposobnost elektrolita, zato ima visoko varnost.
Zmanjšanje staranja litij-ionske baterije se kaže z zmanjšanjem zmogljivosti in povečanjem notranjega upora, njegov notranji mehanizem za zmanjšanje staranja pa vključuje izgubo pozitivnih in negativnih aktivnih materialov ter izgubo razpoložljivih litijevih ionov.Ko se material katode postara in razpade ter je kapaciteta katode nezadostna, obstaja večja verjetnost, da bo prišlo do razvoja litija iz katode.Pod pogojem prekomernega praznjenja se potencial katode za litij dvigne nad 3 V, kar je višje od potenciala raztapljanja bakra, kar povzroči raztapljanje bakrenega zbiralnika.Raztopljeni bakrovi ioni se bodo obarjali na površini katode in tvorili bakrene dendrite.Bakreni dendriti bodo šli skozi diafragmo in povzročili notranji kratek stik, kar resno vpliva na varnost baterije.
Poleg tega se bo odpornost na prenapolnjenost starajočih se baterij do določene mere zmanjšala, predvsem zaradi povečanja notranjega upora ter zmanjšanja pozitivnih in negativnih aktivnih snovi, kar ima za posledico povečanje joulove toplote med postopkom prenapolnjenosti baterij.Pri manjšem prekomernem polnjenju se lahko sprožijo stranske reakcije, ki povzročijo toplotno uhajanje baterij.Kar zadeva toplotno stabilnost, bo izločanje litija iz katode povzročilo močan upad toplotne stabilnosti baterije.
Z eno besedo, varnostna učinkovitost stare baterije se bo močno zmanjšala, kar bo resno ogrozilo varnost baterije.Najpogostejša rešitev je oprema akumulatorskega hranilnika energije s sistemom za upravljanje baterij (BMS).Na primer, baterije 8000 18650, ki se uporabljajo v Tesla Model S, lahko izvajajo spremljanje različnih fizičnih parametrov baterije v realnem času, ocenijo stanje uporabe baterije ter izvajajo spletno diagnozo in zgodnje opozarjanje prek svojega sistema za upravljanje baterije.Hkrati lahko izvaja tudi nadzor praznjenja in predpolnjenja, upravljanje ravnotežja baterije in toplotno upravljanje.
Čas objave: 2. december 2022