Probleme de aplicare și siguranță ale bateriilor litiu-ion:Bateriile cu ioni de litiu sunt utilizate pe scară largă datorită densității lor mari de energie, puterii mari de ieșire și tensiunii medii de ieșire ridicate. Cu toate acestea, accidentele cauzate de defecțiuni ale bateriei apar în fiecare an și puțini oameni înțeleg în mod activ riscurile de siguranță. Prin urmare, identificarea și atenuarea pericolelor de siguranță ale bateriilor cu litiu este crucială.
Conținutul principal al articolului:În primul rând, este analizat fenomenul de evadare termică și sunt discutate diverse sisteme de monitorizare. Apoi, se subliniază aplicarea senzorilor cu rețea Bragg (FBG) cu fibră în detectarea în timp real a datelor bateriei. În cele din urmă, sunt rezumate metodele de reducere a problemelor de siguranță în bateriile cu litiu, inclusiv utilizarea de acoperiri ale suprafeței electrozilor, electroliți, separatori și suprimarea creșterii dendritelor de litiu. Aceste conținuturi au valoare de referință pentru cercetările viitoare privind siguranța bateriilor cu litiu.
1. Introducere
Problemele de aplicare și siguranță ale bateriilor litiu-ion sunt evidențiate:dezvoltarea energiei regenerabile este o tendință a vremurilor, iar bateriile sunt omniprezente în viața de zi cu zi. Bateriile litiu-ion sunt utilizate pe scară largă și cruciale pentru dezvoltarea de noi câmpuri energetice. Cu toate acestea, în ultimii ani, problema de supraîncălzire a acestora a afectat dezvoltarea vehiculelor electrice, iar siguranța bateriei a fost un motiv de îngrijorare.
Direcția cercetării și scopul articolului:Oamenii de știință folosesc diverse tehnologii pentru a îmbunătăți siguranța bateriilor litiu-ion. În prezent, cercetarea de monitorizare a siguranței asupra metodelor de predicție și avertizare a evaporării termice a bateriei este o direcție populară. Articolul își propune să sintetizeze metodele avansate relevante și să prezinte cele mai recente progrese ale cercetării.
2. Metode actuale de îmbunătățire a factorilor de siguranță
Cauza accidentului de siguranță:Când bateriile cu litiu sunt utilizate necorespunzător (cum ar fi supraîncărcare, supraîncălzire, impact, scurtcircuit), temperatura crește anormal, provocând reacții chimice interne și producând gaz și fum. Supapa de siguranță se deschide, iar căldura crește și mai mult temperatura, ceea ce poate duce la ardere sau explozie.
Modalități de îmbunătățire a siguranței:includ în principal monitorizarea și evitarea accidentelor de siguranță, modernizarea structurilor bateriei sau înlocuirea componentelor problematice.
Metode specifice de îmbunătățire a siguranței bateriilor litiu-ion
Preveniți fuga termică
Principiul evaporării termice:Reacția exotermă a materialelor din interiorul bateriei face ca bateria să se încălzească rapid și să elibereze energie chimică. Mai mulți factori pot provoca supraîncălzire, cum ar fi deformarea structurală, scurtcircuit, supraîncărcare, îmbătrânirea componentelor, defecțiunea sistemului de răcire etc. Densitatea mare de energie a bateriilor și utilizarea electroliților inflamabili cresc riscul de evaporare termică.
Sistem de racire:Oamenii de știință au dezvoltat sisteme de management termic al bateriei (BTMS), inclusiv sisteme de răcire cu aer și răcire cu lichid, dar ambele au dezavantaje. Sistemul hibrid de răcire combină avantajele ambelor și poate regla și gestiona mai bine disiparea căldurii bateriei, iar alegerea specifică ar trebui determinată în funcție de situație.
| Sisteme de racire | Avantaje | Dezavantaje |
|
Răcit cu aer BTMS |
Ușoare ca structură Cost scăzut în dezvoltare și întreţinere. |
1. Conductivitate termică scăzută și vulnerabilitate la topire termică. 2. Greu de utilizat în vehiculele electrice. |
|
Răcit cu lichid BTMS |
Capacitate termică și termică ridicate conductivități. |
1. Predispus la scurgeri de lichid 2. Sistem dificil de îmbunătățit din cauza structurii complexe |
| BTMS hibrid | Eficiență de răcire mai bună | 1. Mai multe componente și complexitate |
Senzor de rețea Bragg cu fibre (FBG)
Principiul monitorizării:Preveniți pericolele de siguranță prin monitorizarea multiplelor simptome ale bateriei în timp real. Metodele moderne reflectă adesea indirect starea bateriei prin monitorizarea fluxului de căldură sau detectarea fisurii electrodului, în timp ce senzorii FBG pot măsura direct sau indirect răspunsul la temperatura și la deformare în interiorul și în afara bateriei și pot studia degradarea electroliților prin interacțiunea dintre lumina transportată de fibrele optice și mediul chimic înconjurător.
Avantaje:Senzorii FBG au caracteristicile minim invazive, interferențe anti-electromagnetice și izolație. Ele pot furniza în continuare date cu precizie la temperaturi ridicate și presiune ridicată. Când indicatorii ating valoarea critică, funcționarea bateriei poate fi ajustată sau oprită în timp util, îmbunătățind siguranța utilizării bateriei.
|
Temperatură Monitorizare |
Monitorizarea temperaturii externe: Senzorul FBG este atașat direct de suprafața bateriei (care poate fi în formă a unei monede sau a unui cilindru) pentru a realiza detectarea temperaturii în timp real. |
|
Monitorizarea temperaturii interne: este implantat direct în baterie pentru detectarea temperaturii interne. |
|
| Monitorizarea deformarii |
Monitorizare externă a deformarii: FBG monitorizează tensiunea externă cauzată de factori precum schimbările de temperatură, compresie mecanică sau impacturi. |
|
Monitorizare internă a deformarii: FBG monitorizează tensiunea din interiorul bateriei în timpul utilizării sau în timpul încărcării și descărcării. |
|
| Monitorizarea simultană a temperaturii și a tensiunii | |
Îmbunătățiți separatorul bateriei pentru a stabiliza bateria
Rolul și provocările de proiectare ale unui separator:Un separator este o barieră fizică într-o baterie care previne contactul direct între electrozii pozitivi și negativi și găzduiește electroliții pentru a promova mișcarea ionilor. Designul trebuie să echilibreze durabilitatea mecanică și porozitatea sau performanța de transport, făcându-l o provocare pentru utilizarea în sistemele de baterii la scară largă.
Metoda de îmbunătățire:Cercetarea actuală se concentrează în principal pe îmbunătățirea membranelor comerciale de poliolefine (PP), cum ar fi acoperirea sau altoirea compușilor organici/anorganici și tratarea suprafeței cu compuși rezistenți la căldură. Tehnologia de electrofilare poate fi utilizată și pentru fabricarea membranelor din nanofibre, care pot îmbunătăți stabilitatea termică. Adăugarea de materiale hidrofile poate îmbunătăți performanța și poate inhiba creșterea dendritei de litiu.
Electrolit polimer necombustibil
Probleme tradiționale cu electroliți și direcții de îmbunătățire:Electroliții tradiționali pot experimenta evadare termică în condiții extreme, ceea ce duce la oxidare, amestecarea materialului electrodului și chiar la explozie. Îmbunătățirea necesită o luare în considerare cuprinzătoare a proprietăților fizice și chimice și a stabilității electroliților și electrozilor. Electroliții polimeri solizi (SPE) sunt tendința viitoare, fără scurgeri, rezistență mecanică ridicată și stabilitate, ceea ce poate reduce modificarea volumului materialelor electrozilor.
| Tipuri de SPE | Caracteristici |
| Poli oxid de etilenă SPE |
1. Conductivitate mai mare 2. Dimensiune reglabila 3. Cost mai mic 4. Proprietăți electrochimice remarcabile |
| Polisiloxan SPE-uri |
1. Stabilitate termică mai bună 2. Neinflamabilitate 3. Constante dielectrice mai mari |
Caracteristicile și retardanții de flacără ai SPE-urilor:Diferite SPE-uri au avantaje diferite, cum ar fi conductivitatea ridicată și dimensiunea reglabilă a SPE-urilor cu oxid de polietilenă; SPE-urile din polisiloxan au stabilitate termică bună și nu sunt inflamabile. Majoritatea SPE-urilor necesită adăugarea de retardanți de flacără, iar agenții de ignifugare anorganici sunt mai siguri și mai ieftini, ceea ce poate îmbunătăți performanța SPE-urilor și poate inhiba creșterea dendritelor de litiu. Cu toate acestea, cercetarea SPE-urilor este relativ nouă și aplicațiile lor sunt limitate, iar electroliții comerciali nu pot fi înlocuiți.
| Ignifug | Proprietăți |
| Halogen ignifug |
1. Ultra-ușoară, ultra-subțire 2. Se aprinde greu 3. Radicalii liberi generați atenuează piroliza 4. Produsul diluează concentrația de gaze combustibile și oxigen |
| Ignifuge organofosforice |
1. O mai bună siguranță la incendiu 2. Stabilitatea ciclului bateriilor a fost îmbunătățită 3. Creșterea dendritelor de litiu a fost inhibată 4. Produsele de descompunere se pot combina cu radicalii liberi combustibili |
|
Flacără anorganică pe bază de fosfor Retardante |
1. Toxicitate scăzută 2. Preț scăzut 3. Poate face încărcarea pe suprafața metalului litiu uniformă 4. Preveniți dendritele de litiu. |
| Nano-Filler anorganic ignifug |
1. Facilitează mișcarea ionilor de litiu și îmbunătățește ionul conductivitate. 2. Evitați creșterea dendritelor de litiu 3. Capacitatea de a inhiba propagarea termică 4. Stabilitate termică îmbunătățită |
Inhibarea creșterii dendritei de litiu
Formarea și pericolele dendritelor de litiu:Dendritele de litiu sunt cauzate de depunerea neuniformă a ionilor de litiu în timpul migrării electrozilor pozitivi și negativi, ceea ce poate duce la extinderea electrodului, reducerea eficienței Coulombice, scăderea capacității bateriei și deteriorarea performanței de siguranță, ducând în cele din urmă la defectarea bateriei.
Metoda de inhibare:Inhibați din două direcții: electrolit și electrod negativ cu litiu metal. Adăugarea de aditivi la electroliți poate îmbunătăți funcționalitatea stratului de interfață cu electrolit solid (SEI), cum ar fi polisulfurile de litiu și nitratul de litiu, care pot inhiba eficient formarea dendritelor de litiu; Din perspectiva electrozilor, electrozii negativi tridimensionali cu litiu pot reduce modificarea volumului electrozilor negativi, cum ar fi electrozii compoziți cu grafen. Există, de asemenea, câteva straturi noi SEI care pot inhiba eficient creșterea dendritei de litiu.
Metoda electrodului de acoperire a suprafeței
Rolul și aplicarea acoperirii suprafeței:Acoperirea suprafeței este tehnologia principală pentru protejarea catozilor și îmbunătățirea stabilității termice a materialelor catodice, care poate suprima tranziția de fază și poate îmbunătăți conductivitatea materialului. Utilizarea tehnologiei de acoperire a suprafeței în materialele catodice ternare de nichel-cobalt mangan (NMC) poate îmbunătăți microstructura, performanța electrochimică, conductivitatea termică, coeficientul de difuzie ionică și stabilitatea termică, poate reduce daunele structurale interne, crește stabilitatea ciclică și poate preveni leșierea ionilor metalici.
Metode și efecte specifice:Dacă metoda sintetică „acoperire+perfuzie” este utilizată pentru a acoperi anumite materiale la temperatura camerei, sau tehnologia sol gel este utilizată pentru a crea o acoperire uniformă pe suprafața catodului la temperatură scăzută, stabilitatea ciclului poate fi îmbunătățită semnificativ.
| Aspect(e) | Îmbunătățirea după acoperire |
| Morfologie și structură microscopică |
1. O structură de suprafață mai compactă în electrod pozitiv și structura de zăbrele ordonată 2. O stabilitate crescută. |
| Caracterizarea performanței electrochimice |
1. Stabilitatea ciclului îmbunătățită semnificativ 2. Multiplicatorul de material a crescut 3. Rezistenta materialului redusa 4. Performanța transportului de electroni a fost îmbunătățită |
|
Conductivitate termică, coeficient de difuzie ionică si stabilitate termica |
1. Performanța transferului de căldură a materialelor pure îmbunătățită 2. Răcirea bateriei și performanța de siguranță termică s-au îmbunătățit 3. Performanța lon difuziei îmbunătățită |
3. Rezumat
Clasificarea metodei:Metodele de îmbunătățire a siguranței bateriilor litiu-ion pot fi împărțite aproximativ în două categorii: una este de a monitoriza parametrii bateriei în timp real ca sistem de avertizare timpurie pentru a preveni accidentele de siguranță, iar cealaltă este de a îmbunătăți materialele interne sau structura bateria.
Măsuri și efecte specifice
În prima categorie, sistemele de management termic al bateriei (BTMS) pot preveni evadarea termică, iar BTMS hibrid are cel mai bun efect de răcire, dar structura este complexă și costul este ridicat. Senzorii Fiber Bragg Grating (FBG) pot monitoriza temperatura, tensiunea și presiunea bateriei în timp real și pot identifica rapid supraîncălzirea sau condițiile anormale.
În a doua categorie, cercetătorii au îmbunătățit siguranța bateriilor litiu-ion prin îmbunătățirea separatoarelor, electroliților, inhibând creșterea dendritei de litiu și tratând suprafața catodului.