A segurança e solução da bateria de lítio
Com a popularização dos telefones celulares, produtos digitais e veículos elétricos, as baterias de íon-lítio estão desempenhando um papel cada vez mais importante na vida das pessoas' Problemas de uso, como baixa densidade de energia e ciclo de vida limitado, são freqüentemente criticados. No entanto, em comparação com esses problemas, a segurança das baterias de lítio é o foco das atenções.
Nos últimos anos, os acidentes causados por problemas de segurança da bateria são abundantes e as consequências de muitos problemas são chocantes, como o incidente de incêndio na bateria de lítio do Boeing 787 Dreamliner que chocou a indústria e o incêndio em grande escala da bateria e o incidente de explosão no Samsung Galaxy Note 7. A segurança das baterias de íon-lítio mais uma vez soou o alarme.
A composição e o princípio de funcionamento de uma bateria de íon-lítio
As baterias de íon-lítio são compostas principalmente de eletrodo positivo, eletrodo negativo, eletrólito, separador, conexão externa e componentes de embalagem. Entre eles, o eletrodo positivo e o eletrodo negativo contêm materiais de eletrodo ativo, agentes condutores, aglutinantes, etc., que são uniformemente revestidos nos coletores de corrente de folha de cobre e folha de alumínio.
O potencial do eletrodo positivo das baterias de íon-lítio é relativamente alto, frequentemente óxidos de metal de transição intercalados com lítio ou compostos polianiônicos, como cobaltato de lítio, manganato de lítio, ternário, fosfato de ferro lítio, etc .; Os materiais negativos da bateria de íon-lítio são geralmente materiais de carbono, como grafite e carbono não grafitado; o eletrólito da bateria de íons de lítio é principalmente uma solução não aquosa, composta de solvente orgânico misto e sal de lítio, o solvente é principalmente solvente orgânico, como ácido carbônico, e o sal de lítio é principalmente sal de lítio polianiônico monovalente, como hexafluorofosfato de lítio, etc .; Os separadores de bateria de íon de lítio são principalmente membranas microporosas de polietileno e polipropileno, que isolam os materiais positivos e negativos, evitam curtos-circuitos causados pela passagem de elétrons e permitem a passagem de íons no eletrólito.
Durante o processo de carga, dentro da bateria, o lítio é extraído do eletrodo positivo na forma de íons, transportado pelo eletrólito através do diafragma e incorporado ao eletrodo negativo; fora da bateria, os elétrons migram do circuito externo para o eletrodo negativo. No processo de descarga: os íons de lítio dentro da bateria são extraídos do eletrodo negativo, passam pelo diafragma e são embutidos no eletrodo positivo; fora da bateria, os elétrons migram do circuito externo para o eletrodo positivo. Com carga e descarga, é&íon lítio &. que migra entre as baterias em vez do elemental&lítio &, de modo que a bateria é chamada&bateria de íons de lítio &.
Em segundo lugar, os riscos de segurança das baterias de íon-lítio
De um modo geral, os problemas de segurança das baterias de íon-lítio se manifestam como queima ou até explosão. A causa raiz desses problemas é a fuga térmica dentro da bateria. Além disso, alguns fatores externos, como sobrecarga, incêndio, compressão, perfuração e curto-circuito. Outros problemas também podem levar a problemas de segurança. As baterias de íons de lítio geram calor durante o carregamento e o descarregamento. Se o calor gerado exceder a capacidade de dissipação de calor da bateria, a bateria de íon-lítio superaquecerá e o material da bateria irá decompor o filme SEI, decomposição do eletrólito, decomposição do eletrodo positivo, eletrodo negativo e reações colaterais destrutivas, como a reação do eletrólito e a reação do eletrodo negativo e do ligante.
1 Os riscos de segurança dos materiais catódicos
Quando a bateria de íon de lítio é usada incorretamente, a temperatura interna da bateria aumenta, o material ativo do material do eletrodo positivo é decomposto e o eletrólito é oxidado. Ao mesmo tempo, essas duas reações podem gerar muito calor, fazendo com que a temperatura da bateria aumente ainda mais. Diferentes estados de delitiação têm efeitos muito diferentes na transformação da rede do material ativo, na temperatura de decomposição e na estabilidade térmica da bateria.
2 Os riscos de segurança dos materiais do ânodo
O material do eletrodo negativo usado nos primeiros dias era o lítio metálico, e a bateria montada era propensa a produzir dendritos de lítio após cargas e descargas repetidas, que então perfurariam o diafragma, causando curto-circuito, vazamento e até explosão da bateria. Os compostos de intercalação de lítio podem efetivamente evitar a geração de dendritos de lítio e melhorar muito a segurança das baterias de íon-lítio. À medida que a temperatura aumenta, o eletrodo de carbono negativo no estado de intercalação de lítio primeiro reage exotermicamente com o eletrólito. Sob as mesmas condições de carga e descarga, a taxa de liberação de calor da reação entre o eletrólito e a grafite artificial intercalada com lítio é muito maior do que a da reação com microesferas de carbono mesofase intercaladas com lítio, fibras de carbono, coque, etc.
3 Os riscos de segurança do diafragma e eletrólito
O eletrólito da bateria de íon de lítio é uma solução mista de sal de lítio e solvente orgânico. O sal de lítio comercial é hexafluorofosfato de lítio. A estabilidade térmica do eletrólito. O solvente orgânico do eletrólito é o carbonato, que tem um baixo ponto de ebulição e ponto de fulgor, e é fácil de reagir com o sal de lítio para liberar PF5 em alta temperatura e é fácil de ser oxidado.
4 perigos de segurança ocultos no processo de fabricação
Durante o processo de fabricação de baterias de íon-lítio, processos como fabricação de eletrodos e montagem da bateria terão um impacto na segurança da bateria. O controle de qualidade de vários processos, como mistura de eletrodos positivos e negativos, revestimento, laminação, corte ou punção, montagem, enchimento de eletrólito, vedação e formação, todos afetam o desempenho e a segurança da bateria. A uniformidade da pasta determina a uniformidade da distribuição do material ativo no eletrodo, afetando assim a segurança da bateria. Se a finura da pasta for muito grande, o material do eletrodo negativo sofrerá mudanças relativamente grandes durante o carregamento e a descarga, e a precipitação de lítio metálico pode ocorrer; se a finura da pasta for muito pequena, a resistência interna da bateria será muito grande. Se a temperatura de aquecimento do revestimento for muito baixa ou o tempo de secagem for insuficiente, o solvente permanecerá e o ligante será parcialmente dissolvido, fazendo com que alguns materiais ativos sejam facilmente descascados; temperatura muito alta pode causar a carbonização do aglutinante e os materiais ativos podem cair e causar curtos-circuitos internos na bateria.
5 riscos potenciais de segurança durante o uso da bateria
As baterias de íon de lítio devem minimizar a sobrecarga ou descarga excessiva durante o uso. Especialmente para baterias com alta capacidade de monômero, distúrbios térmicos podem causar uma série de reações colaterais exotérmicas, levando a problemas de segurança.
Três indicadores de teste de segurança de bateria de íon de lítio
Depois que a bateria de íon de lítio é produzida, antes que ela chegue ao consumidor, uma série de testes é necessária para garantir a segurança da bateria tanto quanto possível e reduzir os riscos potenciais à segurança.
1. Teste de compressão: coloque a bateria totalmente carregada em uma superfície plana, aplique uma pressão de 13 ± 1KN por um cilindro hidráulico e aperte a bateria da superfície plana de uma haste de aço com um diâmetro de 32 mm. Uma vez que a pressão de compressão atinge o limite máximo de compressão, a bateria não pega fogo, apenas não exploda.
2. Teste de impacto: Depois que a bateria estiver totalmente carregada, coloque-a em uma superfície plana, coloque uma coluna de aço com um diâmetro de 15,8 mm verticalmente no centro da bateria e solte um peso de 9,1 kg livremente de uma altura de 610 mm sobre a coluna de aço acima da bateria. A bateria não pega fogo nem explode.
3. Teste de sobrecarga: carregue totalmente a bateria com 1C e execute um teste de sobrecarga de acordo com a sobrecarga de 3C 10V. Quando a bateria está sobrecarregada, a voltagem sobe para uma certa voltagem e se estabiliza por um período de tempo. Quando está próximo de um certo período de tempo, a tensão da bateria aumenta rapidamente. Quando um certo limite é atingido, a tampa superior da bateria é puxada, a tensão cai para 0 V e a bateria não pega fogo ou explode.
4. Teste de curto-circuito: Depois que a bateria está totalmente carregada, os eletrodos positivo e negativo da bateria são curto-circuitados com um fio com uma resistência de não mais de 50mΩ e a temperatura da superfície da bateria é testada. A temperatura máxima da superfície da bateria é 140 ℃. A tampa da bateria está aberta e a bateria não pega fogo ou explode. .
5. Teste de acupuntura: Coloque a bateria totalmente carregada em uma superfície plana e fure a bateria na direção radial com uma agulha de aço com um diâmetro de 3 mm. A bateria de teste não pega fogo nem explode.
6. Teste de ciclo de temperatura: O teste de ciclo de temperatura da bateria de íon de lítio é usado para simular a segurança da bateria de íon de lítio quando ela é repetidamente exposta a ambientes de baixa e alta temperatura durante o transporte ou armazenamento. O teste consiste em usar mudanças rápidas e extremas de temperatura. Após o teste, a amostra não deve disparar, explodir ou vazar.
Quatro soluções de segurança para bateria de íon de lítio
Em vista dos muitos riscos ocultos das baterias de íon de lítio no processo de material, fabricação e uso, como melhorar as peças que estão sujeitas a problemas de segurança é um problema que os fabricantes de baterias de íon de lítio precisam resolver.
1 Melhore a segurança do eletrólito
Existe uma alta atividade de reação entre o eletrólito e os eletrodos positivo e negativo, especialmente em altas temperaturas. Para melhorar a segurança da bateria, melhorar a segurança do eletrólito é um dos métodos mais eficazes. Os riscos potenciais de segurança do eletrólito podem ser resolvidos de forma eficaz adicionando aditivos funcionais, usando novos sais de lítio e usando novos solventes.
De acordo com as diferentes funções dos aditivos, eles podem ser divididos nas seguintes categorias: aditivos de proteção de segurança, aditivos formadores de filme, aditivos de proteção de eletrodo positivo, aditivos de sal de lítio estabilizantes, aditivos de promoção de precipitação de lítio, aditivos anticorrosivos de coletor de corrente e aditivos de melhoria de molhabilidade .
Para melhorar o desempenho dos sais de lítio comerciais, os pesquisadores substituíram átomos neles e obtiveram muitos derivados. Entre eles, os compostos obtidos pela substituição de átomos por grupos perfluoroalquil têm muitas vantagens, como alto ponto de fulgor, condutividade semelhante e maior resistência à água. , É uma espécie de composto de sal de lítio com grandes possibilidades de aplicação. Além disso, o sal de lítio aniônico obtido pela quelação do átomo de boro com o ligante de oxigênio tem alta estabilidade térmica.
Em relação aos solventes, muitos pesquisadores têm proposto uma série de novos solventes orgânicos, como ésteres de ácido carboxílico e éteres orgânicos. Além disso, os líquidos iônicos também têm uma classe de eletrólitos com alta segurança, mas são eletrólitos à base de carbonato de uso relativamente comum. A viscosidade dos líquidos iônicos é ordens de magnitude mais alta, e a condutividade e o coeficiente de autodifusão de íons são baixos. Ainda há muito trabalho antes da praticidade. Pendência.
2 Melhore a segurança dos materiais do eletrodo
O fosfato de lítio e ferro e os materiais compósitos ternários são considerados de baixo custo,&excelente segurança" materiais de cátodo, e podem ser popularizados na indústria de veículos elétricos. Para o material do eletrodo positivo, o método comum para melhorar sua segurança é a modificação do revestimento. Por exemplo, o revestimento da superfície do material do eletrodo positivo com um óxido de metal pode impedir o contato direto entre o material do eletrodo positivo e o eletrólito, inibir a mudança de fase do material do eletrodo positivo e melhorar sua estabilidade estrutural, reduzindo a desordem de cátions em a estrutura de cristal para reduzir a geração de calor por reações colaterais.
Para o material do eletrodo negativo, porque a superfície é frequentemente a mais propensa à decomposição termoquímica e geração de calor na bateria de íon de lítio, melhorar a estabilidade térmica do filme SEI é um método chave para melhorar a segurança do material do eletrodo negativo. Por meio de oxidação fraca, deposição de metal e óxido de metal, polímero ou revestimento de carbono, a estabilidade térmica do material do eletrodo negativo pode ser melhorada.
3 Design de proteção de segurança de bateria aprimorado
Além de melhorar a segurança dos materiais da bateria, as baterias comerciais de íon-lítio adotam muitas medidas de proteção de segurança, como definir as válvulas de segurança da bateria, fusíveis térmicos, conectar componentes com coeficientes de temperatura positivos em série, usar diafragmas termicamente selados, carregar circuitos de proteção dedicados, e o sistema de gerenciamento de bateria dedicado, etc., também é um meio de aumentar a segurança.
Fornecedor de soluções de segurança para baterias de cinco íons de lítio
Como a segurança das baterias de íon de lítio tem atraído cada vez mais atenção, muitas empresas realizaram pesquisas e desenvolvimento especificamente para os riscos potenciais à segurança em baterias de íon de lítio e apresentaram soluções eficazes de segurança de bateria.
Como o primeiro pesquisador de tecnologia de segurança e aviso térmico de bateria de energia doméstica e o pioneiro do dispositivo de extinção de incêndio automático especial de caixa de bateria, Chuangwei New Energy foi pioneira no" modelo de fuga térmica de bateria de íon de lítio" ;, que promoveu o monitoramento térmico de fuga da caixa de bateria e a extinção automática de incêndio. Aplicação de tecnologia em larga escala.
O" Modelo de fuga térmica de bateria de íon de lítio" é dividido em três dimensões: vertical, horizontal e vertical. A direção vertical é a redundância de dados de vários sensores, ou seja, vários conjuntos de dados de sensores no mesmo ambiente são ajustados para simular a curva de caracterização de dados de diferentes materiais e diferentes ambientes; a direção horizontal é o algoritmo de tempo contínuo para os dados históricos do sensor para eliminar o ruído. A interferência resolve efetivamente os problemas de alarmes falsos, alarmes falsos e atraso de aviso precoce no método de limite; punção vertical, acúmulo de agulha cega e outros métodos são usados para simular o processo de fuga térmica de diferentes tipos de baterias de energia.
Por meio de fusão tridimensional, métodos matemáticos, com base em um grande número de experimentos e dados operacionais reais, a relação interna entre as várias variáveis causadas pela fuga térmica é resumida e os princípios neurológicos são usados para formar um sistema extremamente precoce, altamente confiável e self -operante&íon lítio &; Modelo de fuga térmica da bateria" percebe alerta precoce e controle inteligente de perigos ocultos na vida da bateria.
Um grande número de exemplos de alerta precoce ocorrido na operação real do veículo provou a eficácia e o avanço deste modelo, tornando-o a tecnologia principal de alerta térmico de fuga da caixa de bateria atual e extinção automática de incêndio.
A bateria Shenzhen Benwei é uma empresa de alta tecnologia especializada em R&& D, produção e vendas de baterias de íon-lítio. As áreas de aplicação de seus produtos abrangem: baterias de lítio para veículos elétricos, baterias de lítio para energia, baterias de lítio para armazenamento de energia, etc. A empresa e os fabricantes de células de bateria mantêm estabilidade de longo prazo. Relacionamento cooperativo e aplicam as mais recentes conquistas e conceitos tecnológicos a toda a série de produtos processos de desenvolvimento. A oficina de fabricação está equipada com equipamentos de produção avançados e instrumentos de teste de primeira classe. Ao mesmo tempo, possui um grupo de equipes profissionais de produção e gestão da qualidade, estritamente em todas as etapas do elo de produção, e através da otimização e melhoria contínua do processo para garantir a segurança da bateria.
