A segurança da bateria de lítio de alto níquel tornou-se um consenso, mas as baterias de lítio de estado sólido agora estão divididas
Um mercado de veículos elétricos que respeita a densidade de energia trouxe enormes desafios para a segurança de baterias e veículos completos. Em 2018, ocorreram 52 acidentes de segurança por milhão de veículos elétricos na China. Em termos de cenas, carregar, dirigir e estacionar são todas cenas em que ocorrem acidentes de segurança.
Se as razões forem analisadas, 58% dos acidentes de incêndio são causados por desgastes térmicos de baterias de lítio. Quase 90% da fuga térmica é causada por curto-circuitos. No nível da célula, os materiais positivo e negativo, eletrólito e diafragma são o fusível direto para a fuga térmica. Após o agrupamento, como suprimir a difusão térmica no projeto estrutural, resfriamento e controle elétrico está relacionado a se o risco de fuga térmica pode ser reduzido ou sufocado.
De 16 a 17 de outubro de 2019, a Conferência de Tecnologia de Bateria para Veículos de Nova Energia de Próxima Geração da China-Coreia de 2019 foi realizada em Xangai. A conferência é dividida em dois fóruns, os tópicos são segurança térmica de baterias e soluções e tecnologia de bateria de estado sólido e desafios de industrialização.
O Fórum 1, OEMs, empresas de baterias de energia, universidades, laboratórios e instituições de teste bem conhecidas discutirão as causas e soluções para a fuga térmica de baterias de alto níquel à medida que o nível de energia específico das baterias de energia continua a aumentar. O Fórum 2 é sobre a análise de diferentes rotas de tecnologia de bateria de estado sólido e status quo.
Sistema para ver a segurança térmica
O ciclo de vida completo de uma bateria de energia começa desde a seleção do sistema de materiais, até a finalização da célula da bateria, a moldagem dos módulos e PACKs, o gerenciamento da bateria após a instalação e aplicação, até o uso na operação do veículo.
A causa raiz da fuga térmica é a célula da bateria. Os eletrodos positivo e negativo são o" fusível" e o eletrólito é o&armazenamento de combustível &. Ele só precisa de uma" faísca" para causar fuga térmica ou incêndio.
& quot; Sparks" vêm de dentro da célula ou surgem de fora. Os fatores internos referem-se principalmente a fatores instáveis gerados durante o projeto e a fabricação da bateria; Os fatores externos referem-se principalmente a motivos causados por pessoal e condições externas durante o transporte, instalação, operação e manutenção da bateria.
A falha de segurança térmica da bateria é causada principalmente por superaquecimento local, que causa um curto-circuito dentro da bateria, ou um micro curto-circuito causa danos ao diafragma da bateria e um curto-circuito em uma área maior.
As baterias de íon-lítio foram atualizadas de NCM111 e NCM523 para NCM622 e NCM811. O conteúdo de níquel do material ternário do eletrodo positivo continua a aumentar, a temperatura de liberação de oxigênio continua a cair e a estabilidade térmica do material do eletrodo positivo está cada vez pior. A diminuição na temperatura de liberação de oxigênio significa que a bateria de lítio é mais resistente ao calor. À medida que a temperatura aumenta, o material do eletrodo positivo muda de uma estrutura em camadas para uma estrutura em espinela e, em seguida, forma sal-gema e libera oxigênio ativo. O crescimento de sal-gema e a liberação de oxigênio são os problemas fundamentais causados pela fuga térmica.
O abuso eletroquímico é o maior problema de dor de cabeça nas fábricas de células de bateria. Sob condições de abuso, como choque térmico, sobrecarga e descarga excessiva, o material ativo e o eletrólito dentro da bateria produzirão dendritos de lítio, que perfuram o diafragma e causam um curto-circuito interno. A evolução do lítio no eletrodo negativo é uma das principais causas do crescimento dos dendritos de lítio. Portanto, como prevenir os dendritos de lítio é uma questão importante.
O curto-circuito dos eletrodos positivo e negativo causado pela falha do diafragma é uma parte importante da fuga térmica. Quando o filme de segurança do filme SEI é destruído, o eletrólito reage com o eletrodo para gerar calor, que derreterá o diafragma. Além disso, o inimigo que enfrenta o diafragma são os dendritos de lítio, ameaçando sua integridade e estabilidade.
Além da falha da bateria causada por curto-circuito interno, sobrecarga, envelhecimento da bateria, etc., falha mecânica sob condições extremas, como curto-circuito externo, extrusão, incêndio, imersão e colisão simulada também será convertida em curto-circuito interno e causa elétrica falha, que acabará por levar à fuga térmica.
Algumas falhas e degradações de desempenho que podem ocorrer durante o ciclo de vida completo da bateria&nº 39; farão com que as baterias sejam usadas além da faixa de uso seguro e causar alguns acidentes de segurança.
A fábrica de baterias e o OEM trabalham juntos
As causas internas e externas da fuga térmica requerem a cooperação de fabricantes de baterias e OEMs para fornecer uma solução geral, incluindo materiais positivos e negativos, separadores, eletrólito, gerenciamento de bateria e design de estrutura PACK.
Para fábricas de baterias, procure eletrólitos retardadores de chama resistentes a alta pressão e alta temperatura, materiais de cátodo de cristal único resistentes a alta temperatura, materiais de ânodo que inibem dendritos de lítio ou use cátodos NMC811 revestidos com protetores para melhorar a secura. A aplicação do diafragma francês introduz um diafragma de cerâmica para suprimir a fuga térmica ao nível da célula.
Para os OEMs, prestar atenção à segurança da bateria em si está longe de ser suficiente. Além dos problemas da própria bateria, a conexão elétrica da bateria, a segurança mecânica, a conexão de carregamento, os problemas de uso diário e o tratamento rápido de problemas são o cerne da segurança do veículo elétrico.
O sistema de proteção de segurança da bateria de alimentação do OEM' é projetado e verificado a partir de quatro aspectos: monômero, módulo, BMS e sistema. Por um lado, os próprios fabricantes de baterias garantem a segurança desde os elos de design e fabricação. Por outro lado, os OEMs consideram a segurança mecânica, elétrica e térmica da perspectiva da segurança do módulo, como distância de segurança, projeto de força e proteção.
Em termos de estrutura de montagem, os OEMs devem considerar várias condições de operação do veículo, bem como dutos de resfriamento, novas tecnologias de resfriamento, aviso prévio de fuga térmica e não proliferação. Ao mesmo tempo, eles devem considerar a extinção de incêndios ativa e como extinguir incêndios por meio de estruturas externas.
Os OEMs geralmente pensam em como melhorar o design da segurança da bateria a partir do nível do sistema. Quer se trate de materiais de eletrodos positivos e negativos, eletrólitos, diafragmas, o design estrutural, resfriamento, gerenciamento térmico e avisos de precaução do PACK após o grupo são todos os objetos da análise do OEM.
A segurança das baterias de lítio é um grande tópico, que envolve todos os aspectos, desde materiais, produção e aplicações. Garantir a segurança térmica de veículos elétricos requer a cooperação de OEMs, fábricas de baterias e instituições de teste para analisar o mecanismo de fuga térmica e explorar novas tecnologias para atrasar a ocorrência de fuga térmica.
Sons diferentes de baterias de estado sólido
O movimento para a frente dos veículos elétricos indica que o padrão específico de energia das baterias de potência não retrocede. A aplicação de materiais positivos e negativos de alto potencial tornou-se uma tendência, e o NCM811 e os ânodos de silício-carbono estão cada vez mais aparecendo nas rotas técnicas das fábricas de baterias. Mas o risco de incêndio ainda ameaça a aplicação de baterias com alto teor de níquel. Portanto, os fabricantes de baterias e OEMs voltaram sua atenção para eletrólitos de estado sólido resistentes a alta pressão e retardadores de chamas, na esperança de resolver o problema do equilíbrio entre energia e segurança específicas.
No entanto, nesta conferência China-Japão-Coréia, as opiniões dos convidados chineses e japoneses sobre a pesquisa e a aplicação de baterias de estado sólido são muito diferentes, desafiando as visões inerentes da indústria&nº 39 sobre baterias de estado sólido . Em relação aos esforços combinados do site de solução de segurança de alto níquel, o site de bateria de estado sólido está avançando em diferenças.
O especialista em baterias de estado sólido de 30 anos do Japão, Dr. Tadahiko Kubota, o ex-especialista em núcleos de baterias da Toyota e Honda do Japão, Ogi Eiki, comentários sobre o estado atual da pesquisa de baterias de estado sólido podem ser descritos como" pessimista" ; É muito difícil para baterias de estado sólido serem aplicadas a veículos elétricos. Por outro lado, as fábricas de baterias domésticas, como Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, a Academia Chinesa de Ciências, a Universidade de Tongji e a Universidade Jiaotong de Xangai estão trabalhando incansavelmente com baterias de estado sólido.
As opiniões dos especialistas japoneses podem ser resumidas da seguinte forma: Toyota Sulfide ainda está em fase de pesquisa e desenvolvimento, e a produção em massa é impossível com o nível atual de tecnologia. Sua intenção original de desenvolver baterias de estado sólido era reduzir as baterias para veículos híbridos. O mundo exterior acredita erroneamente que baterias de estado sólido são usadas em veículos elétricos. Esta é a diferença entre o pensamento interno da Toyota' e a opinião pública externa.
Em termos de segurança, as baterias de estado sólido também podem produzir dendritos de lítio, e a segurança é muito preocupante. E julgar sua segurança não pode ser julgado se o eletrólito é inflamável. O problema mais importante é o contato direto entre o eletrodo positivo e o eletrodo negativo com alta densidade de energia.
Baterias totalmente sólidas podem aumentar a densidade de energia, uma das razões é que os materiais externos podem ser reduzidos. Mas esta não é apenas uma característica característica das baterias totalmente sólidas.
Em termos de carregamento rápido, o artigo da Toyota' e a maioria dos pesquisadores não confirmaram nenhuma evidência de que todas as baterias de estado sólido podem ser carregadas rapidamente. Todos eles disseram que os dendritos de lítio são formados durante o carregamento. Quanto mais as pessoas entendem as baterias de estado sólido, mais elas negam que elas podem ser carregadas rapidamente.
A maioria das patentes da Toyota' s na última década está relacionada à impedância. Ela estuda esse problema há dez anos e ainda é um grande problema.
Vistas das fábricas de baterias domésticas: A propagação de incêndios reais está diretamente relacionada aos eletrólitos líquidos orgânicos. Eletrólitos sólidos que variam de polímeros a eletrólitos de cerâmica podem melhorar a segurança da bateria em vários graus. Em termos de segurança e densidade de energia, as baterias de estado sólido foram aprimoradas em comparação com as baterias tradicionais de íon-lítio convencionais. A premissa é que devemos ter uma boa tecnologia para resolver o problema da interface e garantir que o eletrólito sólido pode se adaptar ao design da bateria e atender aos requisitos de bateria de alta relação de energia.
Acreditamos que as baterias de estado sólido apresentam vantagens em alguns aspectos. Quando o diafragma e o eletrólito forem substituídos por substâncias sólidas, terá maior segurança. Quando o limite de segurança de todo o sistema é aumentado, este sistema pode usar materiais positivos e negativos de alto potencial, como eletrodos negativos de metal de lítio, e terá uma densidade de energia maior no futuro.
O pensamento atual é ser compatível com o equipamento de bateria de lítio existente e com a tecnologia de bateria de lítio tanto quanto possível, e reduzir o custo tanto quanto possível. Como as baterias de estado sólido têm alta densidade de energia e alta segurança, elas podem ser usadas primeiro em algumas situações especiais.
A vantagem da densidade de energia das baterias de estado sólido não é relativamente óbvia no nível da célula e é mais proeminente no nível do PACK. Em 2021, as baterias de estado sólido usarão materiais ativos com taxas de utilização mais altas e a densidade de energia no nível da célula será a mesma das baterias líquidas e, então, gradualmente a ultrapassará.
Embora especialistas nacionais e estrangeiros tenham disputas sobre a densidade de energia e a segurança das baterias de estado sólido, eles basicamente acreditam que a aplicação comercial de baterias de estado sólido é um longo processo para resolver algumas das deficiências das baterias de estado sólido. Portanto, baterias de estado sólido podem ser importadas dos campos de motocicletas e eletrônicos de consumo primeiro e, em seguida, entrar no campo de veículos elétricos quando as três dimensões de segurança, desempenho e custo estiverem maduras.
