Введение литий-ионной аккумуляторной батареи

В процессе разработки транспортных средств на новых источниках энергии, помимо высоких цен, короткого запаса хода и недостаточного энергоснабжения и инфраструктуры замены, потребители и профессионалы уделяют особое внимание безопасности электроэнергии. Эта проблема также влияет на увеличение удельной энергии аккумуляторной батареи.

«Разработка предотвращения короткого замыкания, предотвращения чрезмерного заряда, термостойкости, защиты от возгорания и негорючих электролитов является ключом к безопасности силовых батарей». Профессор Синьпин Ай из Уханьского университета на 14-й Китайской международной промышленной выставке в Шанхае подчеркнул пик развития индустрии новых энергетических транспортных средств BBS.

Механизм небезопасного поведения литий-ионного аккумулятора

Синьпин Ай отметил, что в дополнение к нормальной реакции заряда и разряда литий-ионный аккумулятор имеет много потенциальных экзотермических побочных реакций. Когда температура батареи или напряжение зарядки слишком высоки, эти экзотермические побочные реакции легко вызываются.

Основные побочные реакции перегрева включают 1. Пленка SEI разлагается при температуре выше 130 ° C, так что электролит высвобождается за счет большого количества восстановления на поверхности открытого высокоактивного углеродного отрицательного электрода, что приводит к увеличению в температуре батареи. Это основная причина теплового разгона аккумулятора.

2. Теплота положительного состояния положительного электрода заряженного состояния и разложение электролита, вызванное активным кислородом, еще больше усугубляют накопление тепла внутри батареи и способствуют тепловому разгону.

3. Термическое разложение электролита вызывает рассеивание тепла электролитом и ускоряет повышение температуры аккумулятора.

4. Реакция связующего с высокоактивным отрицательным электродом. Начальная температура реакции LixC6 с PVDF составляет около 240 ° C, максимальная температура составляет 290 ° C, а теплота реакции составляет 1500 Дж / г.

Основная побочная реакция перезарядки заключается в том, что органический электролит окисляется и разлагается с образованием низкомолекулярного органического газа, что вызывает повышение внутреннего давления в батарее и температуры.

Когда скорость выделения тепла в результате экзотермической побочной реакции выше, чем скорость рассеивания тепла аккумуляторной батареи, внутреннее давление и температура аккумуляторной батареи резко возрастут и войдут в неконтролируемое состояние самонагрева, то есть тепло отсутствует. контроля, в результате чего аккумулятор сгорает. Чем толще батарея, чем больше емкость, тем медленнее рассеивается тепло и чем больше выделяется тепло, тем больше вероятность возникновения проблем с безопасностью.

Инициирующие факторы небезопасного поведения литий-ионного аккумулятора

В основном это короткое замыкание, вызванное следующими тремя причинами: 1) токопроводящая пыль на поверхности процесса, смещение положительного и отрицательного полюсов, заусенец полюсного наконечника и неравномерность распределения электролита; 2 металлические примеси в материале; 3 низкотемпературная зарядка, сильноточная зарядка, характеристики отрицательного электрода. Чрезмерное затухание приводит к нанесению лития, вибрации или столкновению с поверхностью отрицательного электрода.

Кроме того, существует локальный перезаряд, вызванный сильноточной зарядкой, чрезмерный перезаряд из-за неровного покрытия полюсного наконечника, неравномерное распределение электрогидравлического напряжения и факторы перезарядки, такие как чрезмерное ослабление характеристик положительного электрода.

Прогресс в технологии безопасности литий-ионных аккумуляторов

Обычные методы, такие как проектирование и производство батарей, ограничивающие ток PTC, предохранительные клапаны давления, термосвариваемые диафрагмы и улучшенная термостойкость материалов батарей, имеют свои ограничения и могут лишь в определенной степени снизить вероятность небезопасного поведения батарей. Синьпин Ай подчеркнул: Для фундаментального решения проблемы необходимо изучить новые технологии предотвращения короткого замыкания, предотвращения перезарядки, контроля потерь тепла, предотвращения возгорания и негорючего электролита, а также установить самовозбуждающийся защитный механизм безопасности для аккумуляторов.

1. Предотвратите внутреннее короткое замыкание аккумулятора: защитные покрытия, такие как керамические диафрагмы и слои с отрицательным термическим сопротивлением.

2. Технология защиты от перезарядки.

A, окислительно-восстановительная мощность присадки: к электролиту добавляется электрическая пара окислительно-восстановительного потенциала O / R. Когда аккумулятор перезаряжается, R окисляется до O на положительном электроде, а затем O диффундирует к отрицательному электроду и уменьшается до R. Эта внутренняя циркуляция ограничивает потенциал заряда до безопасного значения, препятствуя разложению электролита и другим электродным реакциям.

Производные диметоксибензола обладают стабильной способностью фиксировать напряжение, но из-за низкой растворимости фиксирующая способность составляет менее 0,5 ° C; саморазряд аккумулятора большой. Необходимы дальнейшие исследования молекулярной структуры Shuttle.

Реверсивная защита от перезарядки не только решает проблему перезарядки батареи, но также способствует сбалансированности емкости отдельной батареи в аккумуляторном блоке, снижает требования к прочности батареи и продлевает срок ее службы.

B, чувствительная к напряжению диафрагма: электроактивный полимер заполнен микропорами части диафрагмы. В нормальном диапазоне напряжения зарядки и разрядки диафрагма находится в изолирующем состоянии, и допускается только ионная проводимость; когда зарядное напряжение достигает контрольного значения, полимер окисляется и превращается в электропроводящее состояние. Между положительным и отрицательным электродами образуется полимерный проводящий мост для обхода зарядного тока, что позволяет избежать перезарядки аккумулятора.

3. Технология предотвращения теплового разгона.

A, термочувствительный электрод (электрод PTC): материал PTC имеет хороший контакт с проводящей сажей, диспергированной в полимерной матрице при нормальной температуре, и может образовывать хороший канал для переноса электронов и обладает высокой электронной проводимостью; когда температура повышается до температуры перехода Кюри композита, полимер Матрица расширяется, проводящая сажа выходит из контакта, и проводимость композита резко падает.

При высоких температурах сопротивление покрытия PTC, встроенного между токосъемником PTC-электрода и активным покрытием электрода, резко возрастает, прерывая передачу тока, прекращая реакцию аккумулятора и препятствуя безопасности аккумулятора из-за теплового разгона.

Например, электрод PTC из кобальтата лития (LiCoO2), экспериментальные результаты показывают, что при высокой температуре 80 ~ 120 ° C он показывает хороший эффект блокировки самовозбуждения тепла, может предотвратить безопасность батареи, вызванную перезарядкой и внешнее короткое замыкание.

Однако электрод PTC не способен к внутреннему короткому замыканию. Кроме того, характеристики температурного отклика полимерного материала PTC еще предстоит оптимизировать.

B, термосвариваемый электрод. Слой наносферического термоплавкого материала модифицируется на поверхности электрода или мембраны. При нормальной температуре скопление сферических частиц образует пористые, что не влияет на перенос ионов в жидкой фазе; когда температура повышается до температуры плавления сферического материала, сфера плавится в плотную мембрану, которая прекращает перенос ионов и прекращает реакцию батареи.

C, термоотверждаемая батарея: в электролит добавлен мономер, который может подвергаться термической полимеризации. Когда температура повышается, происходит полимеризация, электролит затвердевает, перенос ионов прекращается и реакция аккумулятора прекращается. Например, эксперименты показали, что добавки электролита BMI мало влияют на заряд и разряд аккумулятора. При высоких температурах ИМТ может препятствовать зарядке и разрядке аккумулятора.

4. Негорючий электролит для предотвращения возгорания аккумулятора. Органофосфат имеет характеристики высокой огнестойкости и сильной способности растворять соли электролита. Например, DMMP (диметоксиметилфосфат): низкая вязкость (CP ~ 1,75, 25 ° C), низкая точка плавления, высокая температура кипения (-50 ~ 181 ° C), сильный антипирен (содержание P: 25%), литиевая соль обладает высокой растворимостью.

Однако огнестойкий растворитель имеет следующие проблемы при применении: плохая совместимость с отрицательным электродом и низкая эффективность заряда и разряда батареи. Следовательно, существует потребность в поиске подходящих пленкообразующих добавок.

Вопросы безопасности, на которые следует обратить внимание при коммерциализации аккумуляторных батарей

С точки зрения безопасности литий-ионных аккумуляторных батарей, Xinping Ai считает, что, во-первых, поскольку термическое разложение материала положительного электрода является лишь частью реакции теплового разгона, теоретически литий-железо-фосфатная батарея не является абсолютно безопасной, и Аккумулятор большой емкости следует осторожно заряжать. .

Во-вторых, из-за вероятности обнаружения батареи нельзя доказать, что силовая батарея, проверенная на безопасность, является абсолютно безопасной. Строго говоря, аккумулятор следует тестировать после определенного количества циклов полной зарядки и разрядки; аккумулятор после низкотемпературной зарядки; аккумуляторный модуль и аккумуляторный блок проверены на безопасность.

И, в процессе батареи, производители транспортных средств в качестве батареи питания в диапазоне регулирования температуры окружающей среды 20 ~ 45 ℃ , поэтому могут не только улучшить срок службы батареи и надежность, но также могут избежать проблем с литиевым анализом при низких температурах, вызванных короткое замыкание и высокотемпературный тепловой разгон.

Страница содержит содержимое машинного перевода.