Літієві батареї мають переваги портативності та швидкої зарядки, то чому свинцево-кислотні батареї та інші вторинні батареї все ще циркулюють на ринку?
Окрім проблем із вартістю та різними сферами застосування, ще однією причиною є безпека.
Літій є найактивнішим металом у світі.Оскільки його хімічні характеристики занадто активні, коли металевий літій піддається впливу повітря, він матиме сильну реакцію окислення з киснем, тому він схильний до вибуху, горіння та інших явищ.Крім того, окислювально-відновна реакція також відбуватиметься всередині літієвої батареї під час заряджання та розряджання.Вибух і самозаймання в основному спричинені накопиченням, дифузією та вивільненням літієвої батареї після нагрівання.Коротше кажучи, літієві батареї генеруватимуть багато тепла під час процесу заряджання та розряджання, що призведе до підвищення внутрішньої температури батареї та нерівномірної температури між окремими батареями, що призведе до нестабільної роботи батареї.
Небезпечна поведінка літій-іонної батареї (включно з перезарядом і надмірним розрядом батареї, швидким заряджанням і розряджанням, коротким замиканням, умовами механічного пошкодження, високотемпературним термічним ударом тощо) може викликати небезпечні побічні реакції всередині батареї та виробляти тепло, безпосереднє пошкодження пасивної плівки на негативному та позитивному електродах.
Існує багато причин для ініціювання теплових аварій літій-іонних батарей.Відповідно до характеристик спрацьовування, його можна розділити на механічне спрацьовування зловживання, спрацьовування електричне зловживання та термічне спрацьовування зловживання.Механічне насильство: відноситься до акупунктури, екструзії та удару важкими предметами, спричиненого зіткненням автомобіля;Зловживання електричним струмом: зазвичай викликане неправильним керуванням напругою або несправністю електричних компонентів, включаючи коротке замикання, перезаряд і надмірний розряд;Зловживання теплом: спричинене перегрівом через неправильне керування температурою.
Ці три методи запуску взаємопов'язані.Механічне пошкодження, як правило, спричиняє деформацію або розрив діафрагми батареї, що призводить до прямого контакту між позитивним і негативним полюсами батареї та короткого замикання, що призводить до електричного зловживання;Однак за умов зловживання електрикою утворення тепла, наприклад джоулевого тепла, збільшується, спричиняючи підвищення температури батареї, що розвивається в зловживанні теплом, далі запускаючи побічну реакцію утворення тепла ланцюгового типу всередині батареї та, нарешті, призводячи до виникнення відведення тепла від батареї.
Теплова розбіжність батареї спричинена тим фактом, що швидкість виділення тепла батареї набагато вища за швидкість розсіювання тепла, і тепло акумулюється у великій кількості, але не розсіюється вчасно.По суті, «теплова втеча» — це процес циклу позитивного енергетичного зворотного зв’язку: підвищення температури призведе до нагрівання системи, а температура підвищиться після того, як система нагріється, що, у свою чергу, призведе до нагрівання системи.
Процес теплового відходу: коли внутрішня температура батареї підвищується, плівка SEI на поверхні плівки SEI розкладається під дією високої температури, іон літію, вбудований у графіт, реагує з електролітом і сполучною речовиною, ще більше підвищуючи температуру батареї. до 150 ℃, і при цій температурі відбудеться нова бурхлива екзотермічна реакція.Коли температура батареї досягає вище 200 ℃, матеріал катода розкладається, вивільняючи велику кількість тепла та газу, і батарея починає випирати та постійно нагрівається.Літієвий вбудований анод почав реагувати з електролітом при 250-350 ℃.Заряджений матеріал катода починає піддаватися бурхливій реакції розкладання, а електроліт піддається бурхливій реакції окислення, виділяючи велику кількість тепла, утворюючи високу температуру та велику кількість газу, що спричиняє горіння та вибух батареї.
Проблема випадання літієвих дендритів під час перезарядження: після того, як літієво-кобалатний акумулятор повністю заряджено, велика кількість іонів літію залишається на позитивному електроді.Тобто катод не може утримувати більше іонів літію, прикріплених до катода, але в перезарядженому стані надлишок іонів літію на катоді все одно пливе до катода.Оскільки їх неможливо повністю утримати, на катоді утворюється металевий літій.Оскільки цей металевий літій є дендритним кристалом, його називають дендритом.Якщо дендрит занадто довгий, діафрагму легко пробити, що спричинить внутрішнє коротке замикання.Оскільки основним компонентом електроліту є карбонат, його температура займання та температура кипіння низькі, тому він горить або навіть вибухає при високій температурі.
Якщо це полімерна літієва батарея, електроліт колоїдний, який схильний до більш бурхливого горіння.Щоб вирішити цю проблему, вчені намагаються замінити більш безпечні катодні матеріали.Матеріал літій-манганатної батареї має певні переваги.Це може гарантувати, що іон літію позитивного електрода може бути повністю вбудований у вугільний отвір негативного електрода в стані повного заряду, замість того, щоб мати певні залишки в позитивному електроді, як-от кобалат літію, що певною мірою дозволяє уникнути генерації дендрити.Стабільна структура манганату літію робить його ефективність окислення набагато нижчою, ніж у кобалату літію.Навіть якщо є зовнішнє коротке замикання (а не внутрішнє коротке замикання), це в основному може уникнути горіння та вибуху, спричиненого випаданням металевого літію.Літій-залізофосфат має більш високу термічну стабільність і меншу окислювальну здатність електроліту, тому він має високу безпеку.
Ослаблення старіння літій-іонної батареї проявляється ослабленням ємності та збільшенням внутрішнього опору, а його внутрішній механізм ослаблення старіння включає втрату позитивних і негативних активних матеріалів і втрату доступних іонів літію.Коли матеріал катода старіє та розкладається, а ємність катода недостатня, ризик виділення літію з катода більш імовірний.За умови надмірного розряду потенціал катода до літію зросте вище 3 В, що вище, ніж потенціал розчинення міді, викликаючи розчинення мідного колектора.Розчинені іони міді осідають на поверхні катода й утворюють мідні дендрити.Дендрити міді будуть проходити через діафрагму, спричиняючи внутрішнє коротке замикання, яке серйозно впливає на безпеку батареї.
Крім того, стійкість до перезаряду старіючих батарей зменшиться до певної міри, головним чином через збільшення внутрішнього опору та зменшення позитивних і негативних активних речовин, що призводить до збільшення джоулевого тепла під час процесу перезарядки батарей.При меншому перезарядженні можуть виникнути побічні реакції, що призведуть до перегріву акумуляторів.З точки зору термічної стабільності, виділення літію з катода призведе до різкого зниження термічної стабільності батареї.
Одним словом, показники безпеки старої батареї будуть значно знижені, що серйозно загрожуватиме безпеці батареї.Найпоширенішим рішенням є оснащення системи накопичення енергії батареї системою керування батареєю (BMS).Наприклад, батареї 8000 18650, які використовуються в Tesla Model S, можуть здійснювати моніторинг різних фізичних параметрів батареї в режимі реального часу, оцінювати стан використання батареї та проводити онлайн-діагностику та раннє попередження за допомогою системи керування батареєю.У той же час він також може виконувати контроль розряду та попереднього заряджання, керування балансом батареї та керування температурою.
Час публікації: 02 грудня 2022 р