Baterie litowe mają zalety przenośności i szybkiego ładowania, dlaczego więc akumulatory ołowiowo-kwasowe i inne akumulatory wtórne wciąż krążą na rynku?
Oprócz problemów związanych z kosztami i różnymi obszarami zastosowań, kolejnym powodem jest bezpieczeństwo.
Lit jest najbardziej aktywnym metalem na świecie.Ponieważ jego właściwości chemiczne są zbyt aktywne, gdy lit metaliczny jest wystawiony na działanie powietrza, będzie miał ostrą reakcję utleniania z tlenem, więc jest podatny na wybuch, spalanie i inne zjawiska.Ponadto reakcja redoks zachodzi również wewnątrz baterii litowej podczas ładowania i rozładowywania.Wybuch i samozapłon są spowodowane głównie gromadzeniem się, dyfuzją i uwalnianiem baterii litowej po podgrzaniu.Krótko mówiąc, akumulatory litowe będą generować dużo ciepła podczas procesu ładowania i rozładowywania, co doprowadzi do wzrostu temperatury wewnętrznej akumulatora i nierównej temperatury między poszczególnymi akumulatorami, powodując tym samym niestabilną pracę akumulatora.
Niebezpieczne zachowanie akumulatora litowo-jonowego, którego temperatura jest niekontrolowana (w tym przeładowanie i nadmierne rozładowanie akumulatora, szybkie ładowanie i rozładowanie, zwarcie, uszkodzenia mechaniczne, szok termiczny w wysokiej temperaturze itp.) mogą wywołać niebezpieczne reakcje uboczne wewnątrz akumulatora i wytworzyć ciepło, bezpośrednio uszkadzając warstwę pasywną na elektrodzie ujemnej i powierzchni elektrody dodatniej.
Istnieje wiele przyczyn wyzwalania niekontrolowanych temperatur akumulatorów litowo-jonowych.Zgodnie z charakterystyką wyzwalania można go podzielić na wyzwalanie nadużyć mechanicznych, wyzwalanie nadużyć elektrycznych i wyzwalanie nadużyć termicznych.Przemoc mechaniczna: odnosi się do akupunktury, wytłaczania i uderzeń ciężkimi przedmiotami spowodowanymi kolizją pojazdu;Nadużycia elektryczne: zazwyczaj spowodowane niewłaściwym zarządzaniem napięciem lub awarią podzespołów elektrycznych, w tym zwarciem, przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem;Nadużywanie ciepła: spowodowane przegrzaniem spowodowanym niewłaściwym zarządzaniem temperaturą.
Te trzy metody wyzwalania są ze sobą powiązane.Uszkodzenia mechaniczne zwykle powodują odkształcenie lub pęknięcie membrany akumulatora, co skutkuje bezpośrednim kontaktem dodatniego i ujemnego bieguna akumulatora i zwarciem, co prowadzi do uszkodzenia elektrycznego;Jednak w warunkach nadużycia energii elektrycznej wytwarzanie ciepła, takie jak ciepło Joule'a, wzrasta, powodując wzrost temperatury akumulatora, co rozwija się w nadużycie ciepła, dalej wyzwalając reakcję uboczną wytwarzania ciepła typu łańcuchowego wewnątrz akumulatora i ostatecznie prowadząc do wystąpienia uciekającego ciepła z akumulatora.
Ucieczka termiczna baterii jest spowodowana faktem, że szybkość wytwarzania ciepła przez baterię jest znacznie wyższa niż szybkość rozpraszania ciepła, a ciepło jest gromadzone w dużej ilości, ale nie jest rozpraszane w czasie.Zasadniczo „ucieczka termiczna” to proces cyklu dodatniego sprzężenia zwrotnego energii: rosnąca temperatura spowoduje nagrzanie systemu, a temperatura wzrośnie po nagrzaniu systemu, co z kolei spowoduje, że system stanie się gorętszy.
Proces ucieczki termicznej: gdy temperatura wewnętrzna akumulatora wzrasta, folia SEI na powierzchni folii SEI rozkłada się w wysokiej temperaturze, jon litu osadzony w graficie zareaguje z elektrolitem i spoiwem, dodatkowo zwiększając temperaturę akumulatora do 150 ℃ iw tej temperaturze nastąpi nowa gwałtowna reakcja egzotermiczna.Gdy temperatura akumulatora przekroczy 200 ℃, materiał katody rozkłada się, uwalniając dużą ilość ciepła i gazu, a akumulator zaczyna wybrzuszać się i stale się nagrzewa.Anoda osadzona w litie zaczęła reagować z elektrolitem w temperaturze 250-350 ℃.Naładowany materiał katody zaczyna ulegać gwałtownej reakcji rozkładu, a elektrolit ulega gwałtownej reakcji utleniania, uwalniając dużą ilość ciepła, wytwarzając wysoką temperaturę i dużą ilość gazu, powodując spalenie i wybuch akumulatora.
Problem wytrącania się dendrytu litu podczas przeładowania: Po pełnym naładowaniu akumulatora litowo-kobalanowego na elektrodzie dodatniej pozostaje duża ilość jonów litu.Oznacza to, że katoda nie może pomieścić więcej jonów litu przyłączonych do katody, ale w stanie przeładowania nadmiar jonów litu na katodzie nadal będzie przepływał do katody.Ponieważ nie można ich całkowicie powstrzymać, na katodzie utworzy się metaliczny lit.Ponieważ ten metaliczny lit jest kryształem dendrytycznym, nazywa się go dendrytem.Jeśli dendryt jest zbyt długi, łatwo przebić membranę, powodując wewnętrzne zwarcie.Ponieważ głównym składnikiem elektrolitu jest węglan, jego temperatura zapłonu i temperatura wrzenia są niskie, więc będzie się palić, a nawet eksplodować w wysokiej temperaturze.
Jeśli jest to bateria litowo-polimerowa, elektrolit jest koloidalny, co jest podatne na gwałtowne spalanie.Aby rozwiązać ten problem, naukowcy próbują zastąpić bezpieczniejsze materiały katodowe.Materiał baterii litowo-manganianowej ma pewne zalety.Może zapewnić, że jon litu elektrody dodatniej może być całkowicie osadzony w otworze węglowym elektrody ujemnej w stanie pełnego naładowania, zamiast pewnych pozostałości w elektrodzie dodatniej, takich jak kobalan litu, co w pewnym stopniu pozwala uniknąć generowania dendryty.Stabilna struktura manganianu litu sprawia, że jego wydajność utleniania jest znacznie niższa niż w przypadku kobalanu litu.Nawet jeśli występuje zewnętrzne zwarcie (zamiast wewnętrznego zwarcia), zasadniczo można uniknąć spalania i wybuchu spowodowanego wytrącaniem litu metalicznego.Fosforan litowo-żelazowy ma wyższą stabilność termiczną i niższą zdolność utleniania elektrolitu, dzięki czemu ma wysokie bezpieczeństwo.
Starzejące się tłumienie baterii litowo-jonowej objawia się tłumieniem pojemności i wzrostem rezystancji wewnętrznej, a jego wewnętrzny mechanizm tłumienia starzenia obejmuje utratę dodatnich i ujemnych materiałów aktywnych oraz utratę dostępnych jonów litu.Kiedy materiał katody jest zestarzały i zepsuty, a pojemność katody jest niewystarczająca, ryzyko wydzielania litu z katody jest bardziej prawdopodobne.W warunkach nadmiernego rozładowania potencjał katody do litu wzrośnie powyżej 3 V, co jest wyższe niż potencjał rozpuszczania miedzi, powodując rozpuszczenie miedzianego kolektora.Rozpuszczone jony miedzi wytrącają się na powierzchni katody i tworzą miedziane dendryty.Miedziane dendryty przejdą przez membranę, powodując wewnętrzne zwarcie, które poważnie wpłynie na bezpieczeństwo akumulatora.
Ponadto w pewnym stopniu zmniejszy się odporność na przeładowanie starzejących się akumulatorów, głównie ze względu na wzrost rezystancji wewnętrznej oraz spadek dodatnich i ujemnych substancji czynnych, co skutkuje wzrostem ciepła dżulowego podczas procesu przeładowania akumulatorów.Przy mniejszym przeładowaniu mogą zostać wywołane reakcje uboczne, powodujące ucieczkę termiczną akumulatorów.Jeśli chodzi o stabilność termiczną, wydzielanie litu z katody doprowadzi do gwałtownego spadku stabilności termicznej akumulatora.
Jednym słowem, bezpieczeństwo starzejącej się baterii zostanie znacznie zmniejszone, co poważnie zagrozi bezpieczeństwu baterii.Najczęstszym rozwiązaniem jest wyposażenie akumulatorowego systemu magazynowania energii w system zarządzania baterią (BMS).Na przykład akumulatory 8000 18650 stosowane w Tesli Model S mogą monitorować w czasie rzeczywistym różne parametry fizyczne akumulatora, oceniać stan zużycia akumulatora oraz przeprowadzać diagnostykę online i wczesne ostrzeganie za pośrednictwem systemu zarządzania akumulatorem.W tym samym czasie może również wykonywać kontrolę rozładowania i wstępnego ładowania, zarządzać balansem baterii i zarządzać temperaturą.
Czas postu: grudzień-02-2022