Безопасность, обнаружение и популяризация литиевых батарей

С ростом популярности мобильных телефонов, цифровых продуктов и электромобилей литий-ионные батареи играют все более важную роль в жизни людей. Использование низкой плотности энергии, ограниченного срока службы и другие проблемы часто подвергаются критике, но по сравнению с этими проблемами в центре внимания находятся вопросы безопасности батарей.

В последние годы повсюду происходят аварии, вызванные проблемами безопасности аккумуляторных батарей, и последствия многих проблем шокируют, например, шокирующий инцидент с возгоранием литиевой батареи пассажирского самолета Boeing 787 «Мечта» и крупномасштабный пожарный взрыв аккумулятора SamsungGalaxyNote7. Ионы лития Проблема безопасности батареи снова вызывает тревогу.

Во-первых, состав и принцип работы литий-ионного аккумулятора.

Литий-ионная батарея в основном состоит из положительного электрода, отрицательного электрода, электролита, сепаратора и внешнего соединительного и упаковочного элемента. Среди них положительный электрод и отрицательный электрод включают в себя активный электродный материал, проводящий агент, связующее и т.п. и равномерно наносятся на медную фольгу и токосъемник из алюминиевой фольги.

Литий-ионная батарея имеет высокий потенциал положительного электрода, часто это оксид переходного металла с интеркаляцией лития или полианионное соединение, такое как кобальтат лития, манганат лития, тройной фосфат лития-железа и т.д .; анодный материал ионно-литиевой батареи обычно представляет собой углеродный материал. Такие как графит и неграфитизируемый углерод; электролит литиево-ионного аккумулятора представляет собой в основном неводный раствор, состоящий из смешанного органического растворителя и литиевой соли, в котором растворитель представляет собой в основном органический растворитель, такой как угольная кислота, а литиевая соль представляет собой в основном литиевую соль одновалентного полианиона, такую как гексафторфосфат лития и т.п. ; Сепараторы литий-ионных аккумуляторов в основном представляют собой микропористые мембраны из полиэтилена и полипропилена, которые служат для изоляции положительных и отрицательных материалов, предотвращения прохождения электронов через короткие замыкания и пропускания ионов в электролите.

Во время процесса зарядки внутри батареи литий извлекается из положительного электрода в виде ионов, переносится через сепаратор электролитом и внедряется в отрицательный электрод; вне батареи электроны мигрируют из внешней цепи к отрицательному электроду. Во время процесса разряда ионы лития внутри батареи выводятся из отрицательного электрода, проходят через сепаратор и внедряются в положительный электрод; вне батареи электроны мигрируют из внешней цепи к положительному электроду. При зарядке и разрядке между батареями мигрирует «литий-ионный», а не простое вещество «литий», поэтому батарея называется «литиево-ионная батарея».

Во-вторых, опасность литий-ионных аккумуляторов.

Как правило, у литий-ионных батарей есть проблемы с безопасностью, которые выглядят как горящие или даже взрывающиеся. Основная причина этих проблем кроется в тепловом разгоне внутри батареи. Кроме того, некоторые внешние факторы, такие как перезарядка, возгорание, выдавливание, прокол и короткое замыкание. Другие проблемы также могут привести к проблемам с безопасностью. Литий-ионные батареи выделяют тепло во время зарядки и разрядки. Если выделяемое тепло превышает рассеиваемую способность аккумулятора, литий-ионный аккумулятор будет перегреваться, и материал аккумулятора будет иметь деструктивные побочные реакции, такие как разложение пленки SEI, разложение электролита и разложение положительного электрода, реакция отрицательного электрода с электролитом и реакция отрицательного электрода с клей.

1. Угроза безопасности катодных материалов.

При неправильном использовании литий-ионной батареи внутренняя температура батареи повышается, так что в материале положительного электрода происходит разложение активного материала и окисление электролита. В то же время обе реакции могут выделять большое количество тепла, вызывая дальнейшее повышение температуры батареи. Различные состояния делитирования имеют большое влияние на переход решетки активного материала, температуру разложения и термическую стабильность батареи.

2. Угроза безопасности анодного материала.

В качестве материала анода на ранней стадии используется металлический литий. Собранная батарея склонна к образованию дендритов лития после многократной зарядки и разрядки, а затем пробивает диафрагму, вызывая короткое замыкание, утечку жидкости и даже взрыв батареи. Соединение интеркаляции лития может эффективно предотвратить образование дендритов лития и значительно повысить безопасность литий-ионной батареи. При повышении температуры углеродный отрицательный электрод в состоянии интеркаляции лития сначала подвергается экзотермической реакции с электролитом. При одинаковых условиях заряда и разряда скорость тепловыделения электролита, прореагировавшего с искусственным графитом, содержащим литий, намного выше, чем у интеркалированных углеродных микросфер, углеродных волокон, кокса и т. Д. С интеркалированием лития.

3. Угроза безопасности диафрагмы и электролита.

Электролит литиево-ионного аккумулятора представляет собой смешанный раствор литиевой соли и органического растворителя, в котором коммерческой литиевой солью является гексафторфосфат лития, материал подвержен термическому разложению при высокой температуре и подвергается термохимической реакции с небольшое количество воды и органического растворителя для снижения термической стабильности электролита. Органический растворитель электролита - карбонат. Эти растворители имеют низкую температуру кипения и низкую температуру вспышки, легко вступают в реакцию с литиевой солью с высвобождением PF5 при высокой температуре и легко окисляются.

4. Угрозы безопасности в производственном процессе.

Литий-ионные батареи в процессе производства, изготовления электродов, сборки батареи и других процессов влияют на безопасность батареи. Такие как смесь положительных и отрицательных элементов, нанесение покрытия, прокатка, резка или штамповка, сборка, заполнение электролитом, герметизация, химические и другие процессы контроля качества - все это влияет на производительность и безопасность аккумулятора. Однородность суспензии определяет равномерность распределения активного материала на электроде, тем самым влияя на безопасность батареи. Тонкость суспензии слишком велика. Когда батарея заряжается и разряжается, произойдет большое изменение расширения и сжатия материала отрицательного электрода, и может произойти осаждение металлического лития; если крупность суспензии слишком мала, внутреннее сопротивление батареи может быть слишком большим. Если температура нагрева покрытия слишком низкая или время высыхания недостаточное, растворитель останется, а связующее будет частично растворено, что приведет к легкому отслаиванию некоторых активных материалов; если температура слишком высока, связующее может обугливаться, а активный материал может выпасть и вызвать внутреннее короткое замыкание батареи.

5. Угроза безопасности при использовании аккумулятора.

Следует использовать литий-ионные батареи, чтобы свести к минимуму чрезмерную зарядку или чрезмерную разрядку во время использования. В особенности для батарей с высокой емкостью мономера тепловые возмущения могут вызвать серию экзотермических побочных реакций, что приведет к проблемам с безопасностью.

В-третьих, индикаторы тестирования безопасности литий-ионных аккумуляторов

После производства литий-ионной батареи необходимо провести серию испытаний, прежде чем она попадет к потребителю, чтобы гарантировать безопасность батареи и снизить опасность.

1. Тест на экструзию. Поместите полностью заряженную батарею на плоскую поверхность, приложите усилие 13 ± 1 кН с помощью гидравлического цилиндра и выдавите батарею из стального стержня диаметром 32 мм. Как только давление экструзии достигает максимального значения остановки сжатия, аккумулятор не воспламеняется, он не взрывается.

2. Испытание на удар: после полной зарядки аккумулятор кладут на ровную поверхность. Стальная колонна диаметром 15,8 мм размещается вертикально в центре батареи, а вес 9,1 кг свободно сбрасывается с высоты 610 мм на стальную колонну над батареей. Батарею нельзя поджечь или взорвать.

3. Испытание на перезаряд: батарея полностью заряжена с помощью 1С, в соответствии с испытанием перезарядки 10В 3С, когда батарея перезаряжается, напряжение повышается до определенного напряжения в течение определенного периода времени, напряжение батареи быстро растет, когда оно достигает определенного времени , когда оно возрастает до. Когда предел высок, верхняя крышка аккумулятора сломана, напряжение падает до 0 В, и аккумулятор не загорается или не взрывается.

4. Испытание на короткое замыкание: после полной зарядки батареи замкните накоротко положительную и отрицательную клеммы батареи проводом с сопротивлением не более 50 мОм и проверьте температуру поверхности батареи. Максимальная температура поверхности аккумулятора 140 ° C. Крышка аккумуляторного отсека открыта, аккумулятор не воспламеняется и не взрывается.

5. Иглоукалывание. Поместите полностью заряженную батарею на плоскую поверхность и проткните батарею радиально стальной иглой диаметром 3 мм. Тестовая батарея не может быть запущена или взорвана.

6. Испытание на изменение температуры: испытание на циклическое изменение температуры литий-ионного аккумулятора используется для моделирования безопасности литий-ионных аккумуляторов во время многократной транспортировки в низкотемпературные и высокотемпературные среды во время транспортировки литий-ионных аккумуляторов. Тест заключается в использовании быстрой и экстремальной температуры. Изменение продолжается. После испытания образец не должен воспламениться, взорваться или протечь.

В-четвертых, решения по безопасности литий-ионных аккумуляторов.

Принимая во внимание множество опасностей, связанных с материалами, производством и использованием литий-ионных аккумуляторов, производители литий-ионных аккумуляторов должны решить вопрос о том, как улучшить детали, которые могут вызывать проблемы с безопасностью.

1. Повышение безопасности электролита.

Между электролитом и положительным и отрицательным электродами существует высокая реактивность. Это один из наиболее эффективных методов повышения безопасности электролита, особенно при высоких температурах, чтобы повысить безопасность батареи. Угроза безопасности электролита может быть эффективно устранена путем добавления функциональных добавок, использования новых солей лития и использования новых растворителей.

По разным функциям добавок их можно разделить на следующие типы: защитные добавки, пленкообразующие добавки, добавки для защиты положительного электрода, добавки стабильных солей лития, литий-осаждающие добавки, токопроводящие антикоррозионные добавки, и улучшенные инфильтрационные добавки.

Чтобы улучшить характеристики коммерческих солей лития, исследователи заменили их атомарно и получили множество производных. Среди них соединения, полученные с использованием перфторалкилзамещенных атомов, обладают многими преимуществами, такими как высокая температура вспышки, приблизительная проводимость и повышенная водостойкость. , является перспективным солевым соединением лития. Кроме того, анионная соль лития, полученная путем связывания кислородного лиганда с атомом бора в качестве центрального атома, имеет высокую термическую стабильность.

Для растворителей многие исследователи предложили ряд новых органических растворителей, таких как карбоксилаты и органические эфиры. Кроме того, ионные жидкости также имеют своего рода электролит с высокой степенью безопасности, но при относительно обычном использовании электролитов на основе карбонатов вязкость ионных жидкостей на порядки выше, проводимость и коэффициент самодиффузии ионов ниже, и есть от практического использования еще много работы.

2. Повышение безопасности электродных материалов.

Литий-фосфат железа и тройные композиционные материалы считаются недорогими, «безопасными» превосходными катодными материалами и могут широко использоваться в промышленности электромобилей. Для материала положительного электрода обычным методом повышения безопасности является модификация покрытия. Например, покрытие поверхности материала положительного электрода оксидом металла может предотвратить прямой контакт между материалом положительного электрода и электролитом, подавить фазовый переход материала положительного электрода и улучшить его структурную стабильность, уменьшить беспорядок катионов в кристаллической решетке. для уменьшения тепловыделения побочных реакций.

Для материала отрицательного электрода, поскольку поверхность часто наиболее подвержена термическому химическому разложению и экзотермической реакции в литий-ионной батарее, улучшение термической стабильности пленки SEI является ключевым методом повышения безопасности материала отрицательного электрода. Термическая стабильность материала отрицательного электрода может быть улучшена за счет слабого окисления, осаждения металлов и оксидов металлов, полимерного или углеродного покрытия.

3. Улучшение конструкции защиты безопасности аккумулятора.

В дополнение к повышению безопасности материалов батареи, многие меры безопасности для коммерческих литий-ионных батарей, такие как установка предохранительных клапанов батареи, плавкие плавкие предохранители, последовательное соединение компонентов с положительным температурным коэффициентом, использование термосвариваемых диафрагм, загрузка специальных схемы защиты и специализированные системы управления батареями и т. д. также являются средствами повышения безопасности.

Страница содержит содержимое машинного перевода.