Segurança da bateria de lítio

As baterias de lítio têm as vantagens de portabilidade e carregamento rápido, então por que as baterias de chumbo-ácido e outras baterias secundárias ainda circulam no mercado?
Além dos problemas de custo e diferentes campos de aplicação, outro motivo é a segurança.
O lítio é o metal mais ativo do mundo.Como suas características químicas são muito ativas, quando o lítio metálico é exposto ao ar, ele terá uma forte reação de oxidação com o oxigênio, por isso é propenso a explosões, combustão e outros fenômenos.Além disso, a reação redox também ocorrerá dentro da bateria de lítio durante o carregamento e o descarregamento.A explosão e a combustão espontânea são causadas principalmente pelo acúmulo, difusão e liberação da bateria de lítio após o aquecimento.Resumindo, as baterias de lítio geram muito calor durante o processo de carga e descarga, o que leva ao aumento da temperatura interna da bateria e à temperatura desigual entre as baterias individuais, causando instabilidade no desempenho da bateria.
Comportamentos inseguros da bateria de íon-lítio de fuga térmica (incluindo sobrecarga e descarga excessiva da bateria, carga e descarga rápidas, curto-circuito, condições de abuso mecânico, choque térmico de alta temperatura, etc.) provavelmente desencadearão reações secundárias perigosas dentro da bateria e gerarão calor, danificando diretamente o filme passivo no eletrodo negativo e na superfície do eletrodo positivo.
Existem muitas razões para desencadear acidentes térmicos de baterias de íon de lítio.De acordo com as características do acionamento, ele pode ser dividido em acionamento por abuso mecânico, acionamento por abuso elétrico e acionamento por abuso térmico.Abuso mecânico: refere-se à acupuntura, extrusão e impacto de objetos pesados ​​causados ​​por colisão de veículos;Abuso elétrico: geralmente causado por gerenciamento inadequado de tensão ou falha de componentes elétricos, incluindo curto-circuito, sobrecarga e descarga excessiva;Abuso de calor: causado por superaquecimento causado por gerenciamento inadequado de temperatura.

Esses três métodos de ativação estão inter-relacionados.O abuso mecânico geralmente causará deformação ou ruptura do diafragma da bateria, resultando em contato direto entre os pólos positivo e negativo da bateria e curto-circuito, resultando em abuso elétrico;No entanto, sob a condição de abuso de eletricidade, a geração de calor, como o calor Joule, aumenta, fazendo com que a temperatura da bateria suba, o que se desenvolve em abuso de calor, desencadeando ainda mais a reação lateral de geração de calor do tipo cadeia dentro da bateria e, finalmente, levando à ocorrência de fuga de calor da bateria.
A fuga térmica da bateria é causada pelo fato de que a taxa de geração de calor da bateria é muito maior do que a taxa de dissipação de calor, e o calor é acumulado em grande quantidade, mas não é dissipado com o tempo.Em essência, “fuga térmica” é um processo de ciclo de feedback de energia positiva: o aumento da temperatura fará com que o sistema fique quente e a temperatura aumentará depois que o sistema ficar quente, o que, por sua vez, fará com que o sistema fique mais quente.
O processo de fuga térmica: quando a temperatura interna da bateria aumenta, o filme SEI na superfície do filme SEI se decompõe sob alta temperatura, o íon de lítio embutido no grafite reagirá com o eletrólito e o aglutinante, aumentando ainda mais a temperatura da bateria. a 150 ℃, e uma nova reação exotérmica violenta ocorrerá a esta temperatura.Quando a temperatura da bateria atinge acima de 200 ℃, o material do cátodo se decompõe, liberando uma grande quantidade de calor e gás, e a bateria começa a inchar e a aquecer continuamente.O ânodo embutido de lítio começou a reagir com o eletrólito em 250-350 ℃.O material carregado do cátodo passa a sofrer violenta reação de decomposição, e o eletrólito sofre violenta reação de oxidação, liberando grande quantidade de calor, gerando alta temperatura e grande quantidade de gás, causando combustão e explosão da bateria.
O problema da precipitação de dendritos de lítio durante a sobrecarga: Depois que a bateria de cobalato de lítio está totalmente carregada, uma grande quantidade de íons de lítio permanece no eletrodo positivo.Ou seja, o cátodo não pode conter mais íons de lítio ligados ao cátodo, mas no estado de sobrecarga, o excesso de íons de lítio no cátodo ainda irá nadar para o cátodo.Como eles não podem ser totalmente contidos, o lítio metálico se formará no cátodo.Como esse metal lítio é um cristal dendrítico, ele é chamado de dendrito.Se o dendrito for muito longo, é fácil perfurar o diafragma, causando um curto-circuito interno.Como o principal componente do eletrólito é o carbonato, seu ponto de ignição e ponto de ebulição são baixos, então ele queimará ou até explodirá em alta temperatura.

Se for uma bateria de polímero de lítio, o eletrólito é coloidal, que é propenso a uma combustão mais violenta.Para resolver este problema, os cientistas tentam substituir os materiais catódicos mais seguros.O material da bateria de manganato de lítio tem certas vantagens.Ele pode garantir que o íon de lítio do eletrodo positivo possa ser completamente incorporado no orifício de carbono do eletrodo negativo sob o estado de carga total, em vez de ter certos resíduos no eletrodo positivo como o cobalato de lítio, o que até certo ponto evita a geração de dendritos.A estrutura estável do manganato de lítio torna seu desempenho de oxidação muito menor do que o do cobalato de lítio.Mesmo se houver um curto-circuito externo (em vez de um curto-circuito interno), basicamente pode evitar a combustão e a explosão causada pela precipitação do lítio metálico.O fosfato de ferro de lítio tem maior estabilidade térmica e menor capacidade de oxidação do eletrólito, por isso tem alta segurança.
A atenuação do envelhecimento da bateria de íon de lítio se manifesta pela atenuação da capacidade e aumento da resistência interna, e seu mecanismo interno de atenuação do envelhecimento inclui a perda de materiais ativos positivos e negativos e a perda de íons de lítio disponíveis.Quando o material do cátodo está envelhecido e deteriorado, e a capacidade do cátodo é insuficiente, é mais provável que ocorra o risco de evolução do lítio do cátodo.Sob a condição de descarga excessiva, o potencial do cátodo para o lítio aumentará acima de 3V, que é maior que o potencial de dissolução do cobre, causando a dissolução do coletor de cobre.Os íons de cobre dissolvidos irão precipitar na superfície do cátodo e formar dendritos de cobre.Os dendritos de cobre passarão pelo diafragma, causando curto-circuito interno, o que afeta seriamente o desempenho de segurança da bateria.
Além disso, a resistência à sobrecarga das baterias envelhecidas diminuirá até certo ponto, principalmente devido ao aumento da resistência interna e à diminuição das substâncias ativas positivas e negativas, resultando no aumento do calor joule durante o processo de sobrecarga das baterias.Com menos sobrecarga, reações colaterais podem ser desencadeadas, causando o descontrole térmico das baterias.Em termos de estabilidade térmica, a evolução do lítio do cátodo levará a um declínio acentuado na estabilidade térmica da bateria.
Em uma palavra, o desempenho de segurança da bateria envelhecida será bastante reduzido, o que colocará seriamente em risco a segurança da bateria.A solução mais comum é equipar o sistema de armazenamento de energia da bateria com um sistema de gerenciamento de bateria (BMS).Por exemplo, as baterias 8000 18650 usadas no Tesla Model S podem realizar monitoramento em tempo real de vários parâmetros físicos da bateria, avaliar o status de uso da bateria e realizar diagnóstico online e alerta precoce por meio de seu sistema de gerenciamento de bateria.Ao mesmo tempo, também pode realizar controle de descarga e pré-carga, gerenciamento de equilíbrio de bateria e gerenciamento térmico.