Οι μπαταρίες λιθίου έχουν τα πλεονεκτήματα της φορητότητας και της γρήγορης φόρτισης, οπότε γιατί οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος και άλλες δευτερεύουσες μπαταρίες εξακολουθούν να κυκλοφορούν στην αγορά;
Εκτός από τα προβλήματα κόστους και διαφορετικών πεδίων εφαρμογής, ένας άλλος λόγος είναι η ασφάλεια.
Το λίθιο είναι το πιο ενεργό μέταλλο στον κόσμο.Επειδή τα χημικά χαρακτηριστικά του είναι πολύ ενεργά, όταν το μέταλλο λιθίου εκτεθεί στον αέρα, θα έχει μια έντονη αντίδραση οξείδωσης με το οξυγόνο, επομένως είναι επιρρεπές σε έκρηξη, καύση και άλλα φαινόμενα.Επιπλέον, η αντίδραση οξειδοαναγωγής θα συμβεί επίσης στο εσωτερικό της μπαταρίας λιθίου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση.Η έκρηξη και η αυθόρμητη καύση προκαλούνται κυρίως από τη συσσώρευση, τη διάχυση και την απελευθέρωση της μπαταρίας λιθίου μετά τη θέρμανση.Εν ολίγοις, οι μπαταρίες λιθίου θα παράγουν πολλή θερμότητα κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, η οποία θα οδηγήσει σε αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας της μπαταρίας και στην ανομοιογενή θερμοκρασία μεταξύ των μεμονωμένων μπαταριών, προκαλώντας έτσι την ασταθή απόδοση της μπαταρίας.
Μη ασφαλείς συμπεριφορές της μπαταρίας ιόντων λιθίου με θερμική φυγή (συμπεριλαμβανομένης της υπερφόρτισης και υπερφόρτισης της μπαταρίας, της γρήγορης φόρτισης και εκφόρτισης, βραχυκυκλώματος, συνθήκες μηχανικής κατάχρησης, θερμικού σοκ σε υψηλή θερμοκρασία κ.λπ.) είναι πιθανό να προκαλέσουν επικίνδυνες πλευρικές αντιδράσεις στο εσωτερικό της μπαταρίας και να δημιουργήσουν θερμότητα, καταστρέφοντας άμεσα το παθητικό φιλμ στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου και του θετικού ηλεκτροδίου.
Υπάρχουν πολλοί λόγοι για την πρόκληση ατυχημάτων με θερμικά ατυχήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου.Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της ενεργοποίησης, μπορεί να χωριστεί σε ενεργοποίηση μηχανικής κατάχρησης, ενεργοποίηση ηλεκτρικής κατάχρησης και ενεργοποίηση θερμικής κατάχρησης.Μηχανική κατάχρηση: αναφέρεται σε βελονισμό, εξώθηση και πρόσκρουση βαρέων αντικειμένων που προκαλούνται από σύγκρουση οχήματος.Ηλεκτρική κατάχρηση: γενικά προκαλείται από ακατάλληλη διαχείριση τάσης ή βλάβη ηλεκτρικού εξαρτήματος, συμπεριλαμβανομένων βραχυκυκλώματος, υπερφόρτισης και υπερφόρτισης.Κατάχρηση θερμότητας: προκαλείται από υπερθέρμανση που προκαλείται από ακατάλληλη διαχείριση της θερμοκρασίας.
Αυτές οι τρεις μέθοδοι ενεργοποίησης είναι αλληλένδετες.Η μηχανική κατάχρηση θα προκαλέσει γενικά παραμόρφωση ή ρήξη του διαφράγματος της μπαταρίας, με αποτέλεσμα την άμεση επαφή μεταξύ των θετικών και αρνητικών πόλων της μπαταρίας και το βραχυκύκλωμα, με αποτέλεσμα την ηλεκτρική κατάχρηση.Ωστόσο, υπό συνθήκες κατάχρησης ηλεκτρικής ενέργειας, η παραγωγή θερμότητας, όπως η θερμότητα Joule, αυξάνεται, προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας, η οποία εξελίσσεται σε κατάχρηση θερμότητας, πυροδοτώντας περαιτέρω την πλευρική αντίδραση παραγωγής θερμότητας τύπου αλυσίδας μέσα στην μπαταρία και τελικά οδηγεί στην εμφάνιση της θερμότητας μπαταρίας που διαφεύγει.
Η θερμική διαρροή της μπαταρίας προκαλείται από το γεγονός ότι ο ρυθμός παραγωγής θερμότητας της μπαταρίας είναι πολύ υψηλότερος από τον ρυθμό απαγωγής θερμότητας και η θερμότητα συσσωρεύεται σε μεγάλη ποσότητα αλλά δεν διαχέεται στο χρόνο.Ουσιαστικά, η «θερμική διαφυγή» είναι μια διαδικασία κύκλου ανάδρασης θετικής ενέργειας: η άνοδος της θερμοκρασίας θα κάνει το σύστημα να ζεσταθεί και η θερμοκρασία θα αυξηθεί αφού το σύστημα ζεσταθεί, κάτι που με τη σειρά του θα κάνει το σύστημα να γίνει θερμότερο.
Η διαδικασία της θερμικής διαφυγής: όταν η εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας αυξάνεται, το φιλμ SEI στην επιφάνεια του φιλμ SEI αποσυντίθεται σε υψηλή θερμοκρασία, το ιόν λιθίου που είναι ενσωματωμένο στον γραφίτη θα αντιδράσει με τον ηλεκτρολύτη και το συνδετικό υλικό, ωθώντας περαιτέρω τη θερμοκρασία της μπαταρίας προς τα πάνω στους 150 ℃, και μια νέα βίαιη εξώθερμη αντίδραση θα συμβεί σε αυτή τη θερμοκρασία.Όταν η θερμοκρασία της μπαταρίας φτάσει πάνω από 200 ℃, το υλικό της καθόδου αποσυντίθεται, απελευθερώνοντας μεγάλη ποσότητα θερμότητας και αερίου και η μπαταρία αρχίζει να διογκώνεται και θερμαίνεται συνεχώς.Η ενσωματωμένη άνοδος λιθίου άρχισε να αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη στους 250-350 ℃.Το φορτισμένο υλικό καθόδου αρχίζει να υφίσταται βίαιη αντίδραση αποσύνθεσης και ο ηλεκτρολύτης υφίσταται βίαιη αντίδραση οξείδωσης, απελευθερώνοντας μεγάλη ποσότητα θερμότητας, δημιουργώντας υψηλή θερμοκρασία και μεγάλη ποσότητα αερίου, προκαλώντας καύση και έκρηξη της μπαταρίας.
Το πρόβλημα της καθίζησης δενδρίτη λιθίου κατά την υπερφόρτιση: Αφού φορτιστεί πλήρως η μπαταρία κοβαλικού λιθίου, μεγάλη ποσότητα ιόντων λιθίου παραμένει στο θετικό ηλεκτρόδιο.Δηλαδή, η κάθοδος δεν μπορεί να συγκρατήσει περισσότερα ιόντα λιθίου συνδεδεμένα με την κάθοδο, αλλά σε κατάσταση υπερφόρτισης, η περίσσεια ιόντων λιθίου στην κάθοδο θα εξακολουθεί να κολυμπά στην κάθοδο.Επειδή δεν μπορούν να συγκρατηθούν πλήρως, θα σχηματιστεί μεταλλικό λίθιο στην κάθοδο.Δεδομένου ότι αυτό το μέταλλο λίθιο είναι ένας δενδριτικός κρύσταλλος, ονομάζεται δενδρίτης.Εάν ο δενδρίτης είναι πολύ μακρύς, είναι εύκολο να τρυπήσει το διάφραγμα, προκαλώντας εσωτερικό βραχυκύκλωμα.Καθώς το κύριο συστατικό του ηλεκτρολύτη είναι το ανθρακικό, το σημείο ανάφλεξής του και το σημείο βρασμού του είναι χαμηλά, επομένως θα καεί ή ακόμα και θα εκραγεί σε υψηλή θερμοκρασία.
Εάν πρόκειται για μπαταρία λιθίου πολυμερούς, ο ηλεκτρολύτης είναι κολλοειδής, ο οποίος είναι επιρρεπής σε πιο βίαιη καύση.Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες προσπαθούν να αντικαταστήσουν ασφαλέστερα υλικά καθόδου.Το υλικό της μπαταρίας μαγγανικού λιθίου έχει ορισμένα πλεονεκτήματα.Μπορεί να εξασφαλίσει ότι το ιόν λιθίου του θετικού ηλεκτροδίου μπορεί να ενσωματωθεί πλήρως στην οπή άνθρακα του αρνητικού ηλεκτροδίου υπό την κατάσταση πλήρους φόρτισης, αντί να έχει ορισμένα υπολείμματα στο θετικό ηλεκτρόδιο όπως το κοβαλικό λίθιο, το οποίο σε κάποιο βαθμό αποφεύγει τη δημιουργία δενδρίτες.Η σταθερή δομή του μαγγανικού λιθίου καθιστά την οξείδωσή του πολύ χαμηλότερη από αυτή του κοβαλικού λιθίου.Ακόμα κι αν υπάρχει εξωτερικό βραχυκύκλωμα (και όχι εσωτερικό βραχυκύκλωμα), μπορεί βασικά να αποφύγει την καύση και την έκρηξη που προκαλείται από την καθίζηση μετάλλου λιθίου.Ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου έχει υψηλότερη θερμική σταθερότητα και χαμηλότερη ικανότητα οξείδωσης του ηλεκτρολύτη, επομένως έχει υψηλή ασφάλεια.
Η εξασθένιση της γήρανσης της μπαταρίας ιόντων λιθίου εκδηλώνεται με την εξασθένηση της χωρητικότητας και την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης και ο εσωτερικός μηχανισμός εξασθένισης της γήρανσης περιλαμβάνει απώλεια θετικών και αρνητικών ενεργών υλικών και απώλεια διαθέσιμων ιόντων λιθίου.Όταν το υλικό της καθόδου γεράσει και αποσυντεθεί και η χωρητικότητα της καθόδου είναι ανεπαρκής, είναι πιο πιθανό να εμφανιστεί ο κίνδυνος έκλυσης λιθίου από την κάθοδο.Υπό την προϋπόθεση της υπερβολικής εκφόρτισης, το δυναμικό της καθόδου προς το λίθιο θα αυξηθεί πάνω από 3 V, το οποίο είναι υψηλότερο από το δυναμικό διάλυσης του χαλκού, προκαλώντας τη διάλυση του συλλέκτη χαλκού.Τα διαλυμένα ιόντα χαλκού θα καθιζάνουν στην επιφάνεια της καθόδου και θα σχηματίσουν δενδρίτες χαλκού.Οι δενδρίτες χαλκού θα περάσουν μέσα από το διάφραγμα, προκαλώντας εσωτερικό βραχυκύκλωμα, το οποίο επηρεάζει σοβαρά την απόδοση ασφαλείας της μπαταρίας.
Επιπλέον, η αντίσταση υπερφόρτισης των παλιών μπαταριών θα μειωθεί σε κάποιο βαθμό, κυρίως λόγω της αύξησης της εσωτερικής αντίστασης και της μείωσης των θετικών και αρνητικών δραστικών ουσιών, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμότητας joule κατά τη διαδικασία υπερφόρτισης των μπαταριών.Με μικρότερη υπερφόρτιση, ενδέχεται να προκληθούν πλευρικές αντιδράσεις, προκαλώντας τη θερμική διαφυγή των μπαταριών.Όσον αφορά τη θερμική σταθερότητα, η έκλυση λιθίου από την κάθοδο θα οδηγήσει σε απότομη πτώση της θερμικής σταθερότητας της μπαταρίας.
Με μια λέξη, η απόδοση ασφαλείας της παλιάς μπαταρίας θα μειωθεί σημαντικά, γεγονός που θα θέσει σε σοβαρό κίνδυνο την ασφάλεια της μπαταρίας.Η πιο συνηθισμένη λύση είναι ο εξοπλισμός του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας της μπαταρίας με σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS).Για παράδειγμα, οι 8000 μπαταρίες 18650 που χρησιμοποιούνται στο Tesla Model S μπορούν να πραγματοποιήσουν παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο διαφόρων φυσικών παραμέτρων της μπαταρίας, να αξιολογήσουν την κατάσταση χρήσης της μπαταρίας και να πραγματοποιήσουν διαδικτυακή διάγνωση και έγκαιρη προειδοποίηση μέσω του συστήματος διαχείρισης μπαταρίας.Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να εκτελέσει έλεγχο εκφόρτισης και προφόρτισης, διαχείριση ισορροπίας μπαταρίας και θερμική διαχείριση.
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-02-2022