Pochopte bezpečnostní technologii lithiových baterií ze tří hledisek: materiál, design a proces
Nebezpečí lithium-iontových baterií
Lithium-iontové baterie jsou potenciálně nebezpečným chemickým zdrojem energie kvůli svým chemickým vlastnostem a složení systému.
(1). Vysoká chemická aktivita
Lithium je hlavním prvkem skupiny I ve druhé periodě periodické tabulky prvků a má extrémně aktivní chemické vlastnosti.
(2). Vysoká hustota energie
Lithium-iontové baterie mají extrémně vysokou specifickou energii (Větší nebo rovnou 140 Wh/kg), několikrát vyšší než sekundární baterie, jako jsou nikl-kadmium a nikl-vodík. Tepelná úniková reakce uvolňuje teplo a může vést k nebezpečnému chování.
(3). Použití systému organického elektrolytu
Organickým rozpouštědlem organického elektrolytového systému je uhlovodík, který má nízké rozkladné napětí a je náchylný k oxidaci. Rozpouštědlo je také hořlavé; baterie se vznítí, spálí nebo exploduje, pokud dojde k vytečení.
(4). Vysoká pravděpodobnost vedlejších reakcí
Při běžném používání lithium-iontových baterií se interně provádějí chemické pozitivní reakce, při kterých dochází k vzájemné přeměně elektrické a chemické energie. Za určitých podmínek, jako je přebíjení, nadměrné vybíjení nebo nadproudový provoz, je však snadné způsobit chemické vedlejší reakce uvnitř baterie. Když tato boční reakce zesílí, vážně to ovlivní výkon a životnost baterie. Může se vytvořit velké množství plynu, což způsobí, že se tlak uvnitř baterie rychle zvýší a poté exploduje a vzplane, což způsobí bezpečnostní problémy.
(5). Struktura materiálu elektrody je nestabilní
Reakce přebíjení lithium-iontových baterií změní strukturu materiálu katody, což způsobí, že materiál bude mít silný oxidační účinek a rozpouštědlo v elektrolytu podstoupí silnou oxidaci. tento efekt je nevratný a pokud se teplo způsobené reakcí akumuluje, hrozí tepelný únik.
Analýza příčin bezpečnostních problémů v produktech lithium-iontových baterií
Po 30 letech průmyslového vývoje produktů lithium-iontových baterií zaznamenala bezpečnostní technologie velký pokrok, účinně kontroluje výskyt vedlejších reakcí v baterii a zajišťuje bezpečnost baterie. S tím, jak se však lithium-iontové baterie používají stále více a více a jejich energetická hustota je stále vyšší, dochází v posledních letech často k incidentům, jako jsou výbuchy a zranění nebo stažení výrobků z důvodu bezpečnostních rizik. Shrneme hlavní důvody, které způsobují bezpečnostní problémy v produktech lithium-iontových baterií, následovně:
1. Problémy s materiálem jádra baterie
Materiály použité v jádru baterie zahrnují pozitivní aktivní materiál, negativní aktivní materiál, separátor, elektrolyt a plášť atd. Výběr materiálů a přizpůsobení složeného systému určují bezpečnostní výkon jádra baterie. Při výběru pozitivních a negativních aktivních materiálů a materiálů separátorů výrobce neprovedl určité posouzení vlastností a shody surovin, což mělo za následek přirozené nedostatky v bezpečnosti článků baterie.
2. Problematika výrobního procesu
Suroviny bateriových článků nejsou přísně testovány. Výrobní prostředí je špatné, což vede k promíchávání nečistot ve výrobě, což má nejen velkou nevýhodu na kapacitě baterie, ale má také velký dopad na bezpečnost baterie; navíc, pokud je do elektrolytu přimícháno příliš mnoho vlhkosti, vlhkost může způsobit vedlejší reakce na zvýšení vnitřního tlaku baterie, což má vliv na bezpečnost; kvůli omezením na úrovni výrobního procesu nemůže produkt během výrobního procesu bateriových článků dosáhnout dobré konzistence, jako je špatná rovinnost základny elektrod, problémy jako odpadávání aktivních materiálů elektrod, přimíchávání jiných nečistot do aktivních materiálů , slabé svařování jazýčků, nestabilní teplota svařování, otřepy na okrajích pólových nástavců a nepoužití izolační pásky na klíčových částech, to vše může ovlivnit bezpečnost jádra baterie. negativní efekt.
3. Vady konstrukce jádra baterie a snížený bezpečnostní výkon
Co se týče konstrukčního řešení, mnoho klíčových bodů, které mají dopad na bezpečnost, neberou výrobci vážně, jako je absence izolační pásky v klíčových částech, konstrukce separátoru bez žádné nebo nedostatečné rezervy, kladná a záporná kapacita elektrod Návrh poměru je nepřiměřený a aktivita kladné a záporné elektrody Návrh poměru plochy materiálu je nepřiměřený, návrh délky poutka je nepřiměřený atd., což může představovat skrytá nebezpečí pro bezpečnost baterie. Kromě toho se někteří výrobci baterií ve výrobním procesu bateriových článků, aby ušetřili náklady a zlepšili výkon, šetřili a stlačovali suroviny, jako je zmenšení plochy membrány, ztenčení měděné fólie a hliníkové fólie a nepoužívají přetlakové ventily. a izolační pásky atd., sníží bezpečnost baterie.
4. Hustota energie je příliš vysoká
Trh hledá produkty s vyšší kapacitou baterií. Pro zvýšení konkurenceschopnosti produktů výrobci pokračují ve zvyšování objemově specifické energie lithium-iontových baterií, což značně zvyšuje riziko baterií.
Bezpečnostní technologie
Přestože lithium-iontové baterie mají mnoho skrytých nebezpečí, za specifických podmínek použití a přijetím určitých opatření lze výskyt vedlejších a prudkých reakcí v článcích účinně kontrolovat, aby byla zajištěna jejich bezpečnost. Následující text stručně představí několik běžně používaných bezpečnostních technologií pro lithium-iontové baterie.
Vybírejte suroviny s vyšším bezpečnostním faktorem
Vybírejte kladné a záporné aktivní materiály, separační materiály a elektrolyty s vyššími bezpečnostními faktory.
a) Výběr materiálů katody
Bezpečnost katodových materiálů je založena především na následujících třech aspektech:
1. Termodynamická stabilita materiálu;
2. Chemická stabilita materiálů;
3. Fyzikální vlastnosti materiálů.
b) Výběr materiálů membrány
Hlavní funkcí separátoru je oddělit kladné a záporné elektrody baterie, aby se zabránilo kontaktu kladných a záporných elektrod a způsobení zkratu. Zároveň má schopnost propouštět ionty elektrolytu, to znamená, že má elektronickou izolaci a iontovou vodivost. Při výběru separátorů pro lithium-iontové baterie je třeba vzít v úvahu následující body:
1. Má elektronickou izolaci a zajišťuje mechanickou izolaci kladných a záporných elektrod;
2. Má určitou velikost pórů a pórovitost, aby byla zajištěna nízká odolnost a vysoká iontová vodivost;
3. Materiál membrány má dostatečnou chemickou stabilitu a musí být odolný vůči korozi elektrolytu;
4. Membrána musí mít funkci ochrany proti automatickému vypnutí;
5. Tepelné smrštění a deformovatelnost membrány by měly být co nejmenší;
6 Membrána musí mít určitou tloušťku;
7 Membrána musí mít silnou fyzickou pevnost a dostatečnou odolnost proti proražení.
c) Výběr elektrolytu
Elektrolyt je důležitou součástí lithium-iontových baterií a hraje roli při transportu a vedení proudu mezi kladnými a zápornými elektrodami baterie. Elektrolyt používaný v lithium-iontových bateriích je roztok elektrolytu vytvořený rozpuštěním vhodné soli lithia v organickém aprotickém směsném rozpouštědle. Obvykle by měl splňovat následující požadavky:
1. Dobrá chemická stabilita, žádná chemická reakce s aktivními materiály elektrod, proudovými kolektory a separátory;
2. Dobrá elektrochemická stabilita a široké elektrochemické okno;
3 Lithné ionty mají vysokou vodivost a nízkou elektronovou vodivost;
4. Široký rozsah teplot kapaliny;
5. Bezpečné, netoxické a šetrné k životnímu prostředí.
Posílit celkovou bezpečnostní konstrukci bateriových článků
Jádro baterie je článek, který kombinuje různé materiály v baterii. Integruje kladnou elektrodu, zápornou elektrodu, separátor, poutko a balicí fólii. Konstrukční řešení jádra baterie ovlivňuje nejen výkon různých materiálů, ale také celkový výkon baterie. Elektrochemický výkon a bezpečnost mají důležitý vliv. Výběr materiálů a konstrukční řešení jádra baterie jsou v dílčím a celkovém vztahu. Materiálové charakteristiky by měly být kombinovány v konstrukci jádra baterie, aby se vytvořil rozumný strukturální model.
Kromě toho lze ve struktuře lithiové baterie uvažovat také o některých doplňkových ochranných zařízeních. Běžné návrhy ochranných mechanismů zahrnují následující:
1. Pomocí spínacích prvků se při zvýšení teploty uvnitř baterie odpovídajícím způsobem zvýší její odpor. Když je teplota příliš vysoká, napájení se automaticky zastaví;
2. Nastavte pojistný ventil (odvzdušňovací otvor na horní straně baterie). Když vnitřní tlak baterie stoupne na určitou hodnotu, pojistný ventil se automaticky otevře, aby byla zajištěna její bezpečnost.
Níže jsou uvedeny některé příklady bezpečnostního návrhu struktur bateriových článků:
a) Poměr kapacity kladných a záporných elektrod a konstrukční velikost čipu
Vyberte vhodný poměr kapacity kladné a záporné elektrody na základě vlastností materiálů kladných a záporných elektrod. Poměr kladné a záporné kapacity elektrod jádra baterie je důležitým článkem souvisejícím s bezpečností lithium-iontové baterie. Pokud je kapacita kladné elektrody příliš velká, na povrchu záporné elektrody se objeví kovové lithium. a pokud je záporná elektroda příliš velká, kapacita baterie utrpí větší ztrátu. Obecně řečeno, N/P=1.05~1.15 a příslušné výběry se provádějí na základě skutečné kapacity baterie a bezpečnostních požadavků. Velikost kusu navrhněte tak, aby poloha pasty negativní elektrody (aktivního materiálu) překrývala (je větší než) poloha pasty kladné elektrody. Obecně platí, že šířka by měla být o 1 až 5 mm větší a délka o 5 až 10 mm větší.
b) Povolení na šířku membrány
Celkovým principem návrhu šířky separátoru je zabránit vnitřním zkratům způsobeným přímým kontaktem mezi kladnými a zápornými elektrodami. V důsledku tepelného smrštění separátoru během procesu nabíjení a vybíjení baterie a při tepelném šoku a jiných prostředích se separátor deformuje ve směru délky a šířky a separátor se bude vrásčitá oblast zvyšuje polarizaci v důsledku zvýšené vzdálenost mezi kladnými a zápornými elektrodami; natažená plocha separátoru zvyšuje možnost mikrozkratu v důsledku ztenčení separátoru; smrštění oblasti okraje separátoru může způsobit přímé přímé spojení kladných a záporných elektrod. Dochází k vnitřnímu zkratu v důsledku kontaktu, což způsobí ohrožení baterie v důsledku tepelného úniku. Při návrhu baterie je proto třeba vzít v úvahu smršťovací charakteristiky separátoru při použití plochy a šířky. Separátor je větší než anoda a katoda. S ohledem na chyby procesu musí být izolační fólie alespoň o 0,1 mm delší než vnější okraj pólového nástavce.
c) Izolační úprava
Vnitřní zkrat je důležitým faktorem bezpečnostního rizika lithium-iontových baterií. V konstrukčním návrhu bateriového článku může mnoho potenciálně nebezpečných částí způsobit vnitřní zkraty. Na těchto klíčových místech by proto měla být provedena nezbytná opatření nebo izolace, aby se zabránilo výskytu vnitřních zkratů za abnormálních okolností. Pokud dojde například ke zkratu v baterii, udržujte nezbytnou vzdálenost mezi uchem kladné a záporné elektrody; aplikujte izolační pásku na konečnou jednu stranu bez pasty uprostřed a zakryjte všechny exponované části; aplikujte izolační pásku mezi pozitivní hliníkovou fólii a negativní aktivní materiál; použití Izolační páska pokrývá všechny svařovací části jazýčků; Na horní straně jádra baterie je použita izolační páska.
d) Nastavte pojistný ventil (přetlakové zařízení)
Lithium-iontové baterie jsou často v nebezpečí, protože vnitřní teplota nebo tlak jsou příliš vysoké a způsobují výbuchy nebo požáry; Nastavení přiměřeného zařízení pro odlehčení tlaku může v případě nebezpečí rychle uvolnit tlak a teplo uvnitř baterie, čímž se sníží riziko výbuchu. Je vyžadováno přiměřené zařízení pro odlehčení tlaku, aby se během normálního provozu vyrovnalo vnitřnímu tlaku baterie a automaticky se otevřelo, aby uvolnilo tlak, když vnitřní tlak dosáhne nebezpečné meze. Při nastavování polohy přetlakového zařízení je třeba vzít v úvahu vliv zvýšení vnitřního tlaku pláště baterie. Pojistné ventily, navržené na základě deformačních charakteristik, mohou být navrženy přes lamely, hrany, švy a zářezy.
Zlepšit technologickou úroveň
Mělo by být vynaloženo úsilí na standardizaci procesu výroby bateriových článků. V krocích míchání, potahování, pečení, zhutňování, řezání a navíjení standardizujte (jako je šířka membrány, objem vstřikování elektrolytu atd.) a zlepšujte procesní metody (jako je metoda nízkotlakého vstřikování, odstředivé zatížení atd.) Shell metoda atd.), odvádějí dobrou práci při řízení procesů, zajišťují kvalitu procesu a zužují rozdíly mezi produkty; nastavit speciální procesní kroky v klíčových krocích, které mají dopad na bezpečnost (jako je odstranění otřepů z elektrodové desky, zametání prášku a použití různých metod svařování pro různé materiály), metody atd.), implementovat standardizované monitorování kvality, odstranit vadné díly a vyloučit vadné výrobky (jako je deformace pólového nástavce, proražení membrány, odpadávání aktivního materiálu, únik elektrolytu atd.); udržujte výrobní místo čisté a čisté a implementujte 5S management a 6 -kontrolu kvality sigma, abyste zabránili smíchání nečistot a vlhkosti během výroby a minimalizovali dopad nehod na bezpečnost během výroby.
