В чем проблема безопасности литий-ионных аккумуляторов?

Внутренняя безопасность литий-ионных батарей обусловлена тепловым разгоном внутри батареи и накоплением тепла, которое вызывает постоянное повышение внутренней температуры батареи. Внешние характеристики - это явление интенсивного выделения энергии, такое как горение и взрыв.

Аккумулятор - это высокоплотный носитель энергии. По сути, существуют небезопасные факторы. Чем выше плотность энергии, тем сильнее влияние интенсивного высвобождения энергии и тем серьезнее проблема безопасности. У энергоносителей с высоким содержанием энергии, таких как бензин, природный газ и ацетилен, одни и те же проблемы, и количество аварий, связанных с безопасностью, которые происходят каждый год, велико.

Различные электрохимические системы, разная мощность, параметры процесса, условия использования и степень использования имеют большее влияние на безопасность литий-ионных батарей.

Поскольку аккумулятор накапливает энергию, во время процесса выделения энергии, когда скорость выделения и накопления тепла аккумулятором больше, чем скорость рассеивания тепла, внутренняя температура аккумулятора будет продолжать расти. Литий-ионный аккумулятор состоит из высокоактивного анодного материала и органического электролита, поэтому при нагревании очень легко протекать бурные побочные химические реакции. Такие реакции будут генерировать большое количество тепла и даже привести к «тепловому выходу из-под контроля», который является основной причиной возникновения опасных аварий в аккумуляторной батарее.

О сроке службы и безопасности литий-ионных аккумуляторов

Температурный разгон внутри литий-ионной батареи указывает на то, что некоторые химические реакции внутри батареи не такие, как мы ожидали раньше, и они находятся в неконтролируемом и беспорядочном состоянии, что приводит к быстрому и интенсивному высвобождению энергии. .

Итак, давайте посмотрим, какие там химические реакции, сопровождающиеся выделением большого количества тепла, что приводит к тепловому разгоне.

1. Разложение мембраны SEI, побочная экзотермическая реакция электролита.

Мембрана из твердого электролита образуется во время начального цикла литий-ионной батареи. Мы не хотим, чтобы мембрана SEI была слишком толстой или желательной. Существует разумная пленка SEI для защиты активного материала отрицательного электрода от реакции с электролитом.

Однако, когда внутренняя температура аккумулятора достигает примерно 130 ° C, пленка SEI разлагается, в результате чего отрицательный электрод полностью обнажается, а электролит в значительной степени выделяется на поверхности электрода, вызывая внутреннюю температуру электрода. батарея быстро поднялась.

Это первая экзотермическая побочная реакция внутри литиевой батареи и отправная точка для ряда проблем с тепловым разгоном.

2. Термическое разложение электролита.

Из-за экзотермической побочной реакции электролита в отрицательном электроде внутренняя температура батареи постоянно увеличивается, что дополнительно вызывает термическое разложение LiPF6 и растворителя в электролите.

Эта побочная реакция происходит в диапазоне температур приблизительно от 130 ° C до 250 ° C, что сопровождается выделением большого количества тепла, что еще больше повышает температуру внутри батареи.

3. Термическое разложение катодного материала.

По мере дальнейшего повышения внутренней температуры батареи активный материал положительного электрода разлагается, и эта реакция обычно происходит между 180 ° C и 500 ° C с большим количеством тепла и кислорода.

Различные материалы положительного электрода, тепло, выделяемое при разложении активного материала, отличается, и содержание выделяемого кислорода также отличается. Катодный материал из фосфата лития и железа имеет самую высокую термическую стабильность среди всех катодных материалов из-за меньшего количества тепла, выделяемого при разложении. Когда тройные материалы никель-кобальт-марганец разлагаются, выделяется больше тепла, что сопровождается выделением большого количества кислорода, который склонен к возгоранию или взрыву, поэтому безопасность относительно невысока.

4. Реакция связующего с отрицательным активным материалом.

Температура реакции отрицательного активного материала LixC6 и связующего PVDF начинается примерно от 240 ° C, пик появляется при 290 ° C, а экзотерма реакции достигает 1500 Дж / г.

Из приведенного выше анализа видно, что тепловой разгон литий-ионного аккумулятора не мгновенный, а постепенный процесс. Этот процесс, обычно вызываемый перезарядкой, большой скоростью заряда и разряда, внутренним коротким замыканием, внешним коротким замыканием, вибрацией, столкновением, падением, ударом и т. Д., Вызывает большое количество тепла внутри батареи за короткий период времени и непрерывно накапливается, толкая температуру батареи непрерывно повышаться.

Как только температура повышается до пороговой температуры внутренней цепной реакции (около 130 ° C), внутри литий-ионного аккумулятора спонтанно возникает серия экзотермических побочных реакций, которые дополнительно увеличивают накопление тепла и повышение температуры внутри аккумулятора. . Выпадет большое количество горючего газа. Когда температура повышается до точки воспламенения и точки воспламенения внутренних растворителей и горючих газов, это приведет к несчастным случаям, связанным с безопасностью, таким как возгорание и взрыв.

Свежий литий-ионный аккумулятор прошел сертификацию на безопасность, не соответствует безопасности жизненного цикла литий-ионного аккумулятора. Согласно анализу перед нами, в процессе длительного использования, может происходить осаждение металлического лития на поверхности анода, разложение электролита и летучесть, потеря активного материала катода, деформация внутренней структуры батареи, смешанные материалы с металлическими примесями и многими другими неожиданными изменениями это вызовет короткое замыкание внутри батареи, которое выделяет много тепла. Кроме того, различные внешние ситуации неправильного обращения, такие как перезарядка, выдавливание, прокол металла, столкновение, падение, удар и т. Д., Также приведут к тому, что аккумулятор за короткое время будет выделять много тепла, что станет причиной нагрева. убегать.

При использовании литий-ионных батарей нет абсолютной безопасности, только относительная безопасность. Мы должны стараться избегать злоупотреблений и снижать вероятность возникновения опасных событий. В то же время мы должны начать с основных компонентов, таких как положительные и отрицательные материалы, электролиты и сепараторы, и выбрать материалы с превосходной химической стабильностью и термической стабильностью. Свойства огнестойкости при наличии внутренних и внешних стимулов теплового разгона снижают теплоту внутренних побочных реакций или имеют высокую температуру воспламенения, чтобы избежать теплового разгона. В конструкции батареи и конструкции корпуса следует в полной мере учитывать структурную стабильность, чтобы достичь достаточной механической прочности, чтобы выдерживать внешние нагрузки и гарантировать отсутствие явной деформации внутри. Кроме того, важно учитывать характеристики рассеивания тепла. Если тепло можно рассеять вовремя, внутренняя температура не будет продолжать расти и не произойдет теплового разгона.

Безопасность литий-ионных батарей - это систематическая теория. Измерение безопасности литий-ионных батарей простым разложением тепла материалов положительного электрода не является исчерпывающим. С точки зрения системы, литий-железо-фосфатные батареи не обязательно безопаснее тройных материалов, потому что существует множество факторов, которые в конечном итоге влияют на тепловой разгон, и тепло, выделяемое при разложении катодного материала, является только одним из факторов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.