Litiumbatterier har fördelarna med portabilitet och snabbladdning, så varför cirkulerar blybatterier och andra sekundära batterier fortfarande på marknaden?
Förutom kostnadsproblem och olika applikationsområden är en annan anledning säkerheten.
Litium är den mest aktiva metallen i världen.Eftersom dess kemiska egenskaper är för aktiva, när litiummetall utsätts för luften, kommer den att ha en hård oxidationsreaktion med syre, så det är benäget att explosion, förbränning och andra fenomen.Dessutom kommer redoxreaktion också att inträffa inuti litiumbatteriet under laddning och urladdning.Explosion och spontan förbränning orsakas främst av ansamling, diffusion och frigöring av litiumbatterier efter uppvärmning.Kort sagt, litiumbatterier kommer att generera mycket värme under laddning och urladdning, vilket kommer att leda till en ökning av batteriets inre temperatur och den ojämna temperaturen mellan enskilda batterier, vilket orsakar batteriets instabila prestanda.
Osäkra beteenden hos ett termiskt rinnande litiumjonbatteri (inklusive batteriöver- och överurladdning, snabb laddning och urladdning, kortslutning, mekaniska missbruksförhållanden, värmechock vid hög temperatur, etc.) utlöser sannolikt farliga sidoreaktioner inuti batteriet och genererar värme, direkt skada den passiva filmen på den negativa elektroden och den positiva elektrodens yta.
Det finns många anledningar till att utlösa termiska rusningsolyckor med litiumjonbatterier.Beroende på egenskaperna hos triggning kan den delas in i mekanisk missbruksutlösning, elektrisk missbruksutlösning och termisk missbruksutlösning.Mekaniskt missbruk: hänvisar till akupunktur, extrudering och tunga föremålspåverkan orsakad av fordonskollision;Elektrisk missbruk: orsakas vanligtvis av felaktig spänningshantering eller fel på elektriska komponenter, inklusive kortslutning, överladdning och överurladdning;Värmemissbruk: orsakas av överhettning orsakad av felaktig temperaturhantering.
Dessa tre triggningsmetoder är relaterade till varandra.Mekanisk missbruk kommer vanligtvis att orsaka deformation eller bristning av batterimembranet, vilket resulterar i direkt kontakt mellan batteriets positiva och negativa poler och kortslutning, vilket resulterar i elektrisk missbruk;Men under tillståndet av elmissbruk ökar värmealstringen, såsom Joule-värme, vilket får batteritemperaturen att stiga, vilket utvecklas till värmemissbruk, vilket ytterligare utlöser sidreaktionen för värmegenerering av kedjetyp inuti batteriet, och slutligen leder till att det inträffar av batterivärme rinnande.
Batteriets termiska runaway orsakas av det faktum att värmegenereringshastigheten för batteriet är mycket högre än värmeavledningshastigheten, och värmen ackumuleras i en stor mängd men försvinner inte i tid.I huvudsak är "termisk runaway" en positiv energiåterkopplingscykelprocess: den stigande temperaturen kommer att göra att systemet blir hett, och temperaturen kommer att stiga efter att systemet blir varmt, vilket i sin tur kommer att göra systemet varmare.
Processen för termisk runaway: när batteriets inre temperatur stiger, sönderdelas SEI-filmen på ytan av SEI-filmen under hög temperatur, litiumjonen inbäddad i grafiten kommer att reagera med elektrolyten och bindemedlet, vilket ytterligare pressar upp batteritemperaturen till 150 ℃, och en ny våldsam exoterm reaktion kommer att inträffa vid denna temperatur.När batteritemperaturen når över 200 ℃ sönderdelas katodmaterialet, frigör en stor mängd värme och gas, och batteriet börjar bukta och värms upp kontinuerligt.Den litiuminbäddade anoden började reagera med elektrolyten vid 250-350 ℃.Det laddade katodmaterialet börjar genomgå en våldsam nedbrytningsreaktion, och elektrolyten genomgår en våldsam oxidationsreaktion, frigör en stor mängd värme, genererar hög temperatur och en stor mängd gas, vilket orsakar förbränning och explosion av batteriet.
Problemet med litiumdendritfällning under överladdning: Efter att litiumkobalatbatteriet är fulladdat finns en stor mängd litiumjoner kvar i den positiva elektroden.Det vill säga, katoden kan inte hålla fler litiumjoner fästa vid katoden, men i överladdat tillstånd kommer överskottet av litiumjoner på katoden fortfarande att simma till katoden.Eftersom de inte kan innehållas helt, bildas metalllitium på katoden.Eftersom denna metalllitium är en dendritisk kristall, kallas den dendrit.Om dendriten är för lång är det lätt att sticka hål i membranet, vilket orsakar inre kortslutning.Eftersom huvudkomponenten i elektrolyten är karbonat, är dess antändningspunkt och kokpunkt låg, så den kommer att brinna eller till och med explodera vid hög temperatur.
Om det är ett polymerlitiumbatteri är elektrolyten kolloidal, vilket är benäget att få en häftigare förbränning.För att lösa detta problem försöker forskare ersätta säkrare katodmaterial.Materialet av litiummanganatbatteri har vissa fördelar.Det kan säkerställa att litiumjonen i den positiva elektroden kan vara helt inbäddad i kolhålet i den negativa elektroden under fullt laddningstillstånd, istället för att ha vissa rester i den positiva elektroden som litiumkobalat, vilket till viss del undviker generering av dendriter.Den stabila strukturen hos litiummanganat gör dess oxidationsprestanda mycket lägre än för litiumkobalat.Även om det finns en extern kortslutning (snarare än en intern kortslutning) kan den i princip undvika förbränning och explosion orsakad av litiummetallutfällning.Litiumjärnfosfat har högre termisk stabilitet och lägre oxidationskapacitet hos elektrolyten, så det har hög säkerhet.
Åldringsdämpningen av litiumjonbatterier manifesteras av kapacitetsdämpning och intern resistansökning, och dess interna åldringsdämpningsmekanism inkluderar förlust av positiva och negativa aktiva material och förlust av tillgängliga litiumjoner.När katodmaterialet åldras och sönderfaller, och katodens kapacitet är otillräcklig, är det mer sannolikt att det uppstår risk för litiumutveckling från katoden.Under tillståndet av överurladdning kommer potentialen för katod till litium att stiga till över 3V, vilket är högre än upplösningspotentialen för koppar, vilket orsakar upplösning av kopparkollektor.Upplösta kopparjoner kommer att fällas ut på katodytan och bilda koppardendriter.Koppardendriter kommer att passera genom membranet, vilket orsakar inre kortslutning, vilket allvarligt påverkar batteriets säkerhetsprestanda.
Dessutom kommer överladdningsmotståndet hos åldrande batterier att minska i viss utsträckning, främst på grund av ökningen av internt motstånd och minskningen av positiva och negativa aktiva ämnen, vilket resulterar i ökningen av joule-värme under överladdningsprocessen av batterier.Vid mindre överladdning kan sidoreaktioner utlösas, vilket orsakar att batterierna löper termiskt.När det gäller termisk stabilitet kommer litiumutveckling från katoden att leda till en kraftig minskning av batteriets termiska stabilitet.
Med ett ord kommer säkerhetsprestandan för det åldrade batteriet att minska kraftigt, vilket allvarligt kommer att äventyra batteriets säkerhet.Den vanligaste lösningen är att utrusta batteriets energilagringssystem med ett batterihanteringssystem (BMS).Till exempel kan 8000 18650-batterierna som används i Tesla Model S realisera realtidsövervakning av olika fysiska parametrar för batteriet, utvärdera batterianvändningsstatus och utföra onlinediagnos och tidig varning genom sitt batterihanteringssystem.Samtidigt kan den också utföra urladdnings- och förladdningskontroll, batteribalanshantering och termisk hantering.
Posttid: 2022-02-02