Θέματα εφαρμογής και ασφάλειας των μπαταριών ιόντων λιθίου:Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της υψηλής ενεργειακής τους πυκνότητας, της υψηλής ισχύος εξόδου και της υψηλής μέσης τάσης εξόδου. Ωστόσο, ατυχήματα που προκαλούνται από βλάβες της μπαταρίας συμβαίνουν κάθε χρόνο και λίγοι άνθρωποι κατανοούν ενεργά τους κινδύνους για την ασφάλεια. Επομένως, ο εντοπισμός και ο μετριασμός των κινδύνων ασφαλείας των μπαταριών λιθίου είναι ζωτικής σημασίας.
Το κύριο περιεχόμενο του άρθρου:Αρχικά, αναλύεται το φαινόμενο της θερμικής διαφυγής και συζητούνται διάφορα συστήματα παρακολούθησης. Στη συνέχεια, δίνεται έμφαση στην εφαρμογή αισθητήρων πλέγματος ινών Bragg (FBG) στην ανίχνευση δεδομένων μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο. Τέλος, συνοψίζονται οι μέθοδοι για τη μείωση των προβλημάτων ασφαλείας στις μπαταρίες λιθίου, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης επιφανειών ηλεκτροδίων, ηλεκτρολυτών, διαχωριστών και καταστολής της ανάπτυξης δενδρίτη λιθίου. Αυτά τα περιεχόμενα έχουν αξία αναφοράς για μελλοντική έρευνα σχετικά με την ασφάλεια των μπαταριών λιθίου.
1. Εισαγωγή
Τα θέματα εφαρμογής και ασφάλειας των μπαταριών ιόντων λιθίου επισημαίνονται:Η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι μια τάση της εποχής και οι μπαταρίες είναι πανταχού παρούσες στην καθημερινή ζωή. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως και είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη νέων ενεργειακών πεδίων. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, το πρόβλημα υπερθέρμανσης τους έχει επηρεάσει την ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων και η ασφάλεια των μπαταριών είναι ανησυχητική.
Ερευνητική κατεύθυνση και σκοπός του άρθρου:Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν διάφορες τεχνολογίες για να βελτιώσουν την ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου. Επί του παρόντος, η έρευνα παρακολούθησης της ασφάλειας σχετικά με τις μεθόδους πρόβλεψης και προειδοποίησης θερμικής διαφυγής μπαταρίας είναι μια δημοφιλής κατεύθυνση. Το άρθρο στοχεύει να συνοψίσει σχετικές προηγμένες μεθόδους και να παρουσιάσει την πιο πρόσφατη ερευνητική πρόοδο.
2. Τρέχουσες μέθοδοι για τη βελτίωση των παραγόντων ασφάλειας
Αιτία ατυχήματος ασφαλείας:Όταν οι μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούνται ακατάλληλα (όπως υπερφόρτιση, υπερθέρμανση, κρούση, βραχυκύκλωμα), η θερμοκρασία αυξάνεται ασυνήθιστα, προκαλώντας εσωτερικές χημικές αντιδράσεις και παράγοντας αέριο και καπνό. Η βαλβίδα ασφαλείας ανοίγει και η θερμότητα αυξάνει περαιτέρω τη θερμοκρασία, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε καύση ή έκρηξη.
Τρόποι βελτίωσης της ασφάλειας:περιλαμβάνουν κυρίως την παρακολούθηση και την αποφυγή ατυχημάτων ασφαλείας, την αναβάθμιση των δομών της μπαταρίας ή την αντικατάσταση προβληματικών εξαρτημάτων.
Συγκεκριμένες μέθοδοι για τη βελτίωση της ασφάλειας των μπαταριών ιόντων λιθίου
Αποτρέψτε τη θερμική διαφυγή
Αρχή θερμικής διαφυγής:Η εξώθερμη αντίδραση των υλικών στο εσωτερικό της μπαταρίας προκαλεί την ταχεία θέρμανση της μπαταρίας και την απελευθέρωση χημικής ενέργειας. Πολλοί παράγοντες μπορούν να προκαλέσουν υπερθέρμανση, όπως δομική παραμόρφωση, βραχυκύκλωμα, υπερφόρτιση, γήρανση εξαρτημάτων, αστοχία συστήματος ψύξης κ.λπ. Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών και η χρήση εύφλεκτων ηλεκτρολυτών αυξάνουν τον κίνδυνο θερμικής διαρροής.
Σύστημα ψύξης:Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει συστήματα θερμικής διαχείρισης μπαταριών (BTMS), συμπεριλαμβανομένων συστημάτων ψύξης αέρα και υγρής ψύξης, αλλά και τα δύο έχουν μειονεκτήματα. Το υβριδικό σύστημα ψύξης συνδυάζει τα πλεονεκτήματα και των δύο και μπορεί να ρυθμίσει και να διαχειριστεί καλύτερα την απαγωγή θερμότητας της μπαταρίας και η συγκεκριμένη επιλογή θα πρέπει να προσδιορίζεται ανάλογα με την κατάσταση.
| Συστήματα ψύξης | Φόντα | Μειονεκτήματα |
|
Αερόψυξη BTMS |
Ελαφρύ στη δομή Χαμηλό κόστος ανάπτυξης και συντήρηση. |
1. Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και ευπάθεια σε θερμική τήξη. 2. Δύσκολη χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα. |
|
Ψύξη με υγρό BTMS |
Υψηλές θερμοχωρητικότητες και θερμικές αγωγιμότητες. |
1. Επιρρεπής σε διαρροή υγρού 2. Δύσκολη η βελτίωση του συστήματος λόγω πολύπλοκης δομής |
| Υβριδικό BTMS | Καλύτερη αποτελεσματικότητα ψύξης | 1. Περισσότερα στοιχεία και πολυπλοκότητα |
Αισθητήρας πλέγματος ινών Bragg (FBG)
Αρχή παρακολούθησης:Αποτρέψτε τους κινδύνους για την ασφάλεια παρακολουθώντας πολλαπλά συμπτώματα της μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο. Οι σύγχρονες μέθοδοι συχνά αντικατοπτρίζουν έμμεσα την κατάσταση της μπαταρίας παρακολουθώντας τη ροή θερμότητας ή ανιχνεύοντας ρωγμές ηλεκτροδίου, ενώ οι αισθητήρες FBG μπορούν άμεσα ή έμμεσα να μετρήσουν τη θερμοκρασία και την απόκριση καταπόνησης εντός και εκτός της μπαταρίας και να μελετήσουν την υποβάθμιση του ηλεκτρολύτη μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του φωτός που μεταφέρεται από οπτικές ίνες και το περιβάλλον χημικό περιβάλλον.
Φόντα:Οι αισθητήρες FBG έχουν τα χαρακτηριστικά της ελάχιστα επεμβατικής, κατά των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών και της μόνωσης. Μπορούν ακόμα να παρέχουν δεδομένα με ακρίβεια σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση. Όταν οι ενδείξεις φτάσουν στην κρίσιμη τιμή, η λειτουργία της μπαταρίας μπορεί να ρυθμιστεί ή να τερματιστεί εγκαίρως, βελτιώνοντας την ασφάλεια χρήσης της μπαταρίας.
|
Θερμοκρασία Παρακολούθηση |
Εξωτερική παρακολούθηση θερμοκρασίας: Ο αισθητήρας FBG συνδέεται απευθείας στην επιφάνεια της μπαταρίας (η οποία μπορεί να έχει σχήμα ενός νομίσματος ή ενός κυλίνδρου) για την επίτευξη ανίχνευσης θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο. |
|
Παρακολούθηση εσωτερικής θερμοκρασίας: εμφυτεύεται απευθείας στην μπαταρία για ανίχνευση εσωτερικής θερμοκρασίας. |
|
| Παρακολούθηση καταπόνησης |
Παρακολούθηση εξωτερικής καταπόνησης: Το FBG παρακολουθεί την εξωτερική καταπόνηση που προκαλείται από παράγοντες όπως οι αλλαγές θερμοκρασίας, μηχανική συμπίεση ή κρούσεις. |
|
Παρακολούθηση εσωτερικής καταπόνησης: Το FBG παρακολουθεί την καταπόνηση στο εσωτερικό της μπαταρίας κατά τη χρήση ή κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση. |
|
| Ταυτόχρονη παρακολούθηση θερμοκρασίας και καταπόνησης | |
Βελτιώστε τον διαχωριστή μπαταρίας για να σταθεροποιήσετε την μπαταρία
Ο ρόλος και οι προκλήσεις σχεδιασμού ενός διαχωριστή:Ένας διαχωριστής είναι ένα φυσικό φράγμα σε μια μπαταρία που εμποδίζει την άμεση επαφή μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων και φιλοξενεί ηλεκτρολύτες για την προώθηση της κίνησης των ιόντων. Ο σχεδιασμός πρέπει να εξισορροπεί τη μηχανική αντοχή και το πορώδες ή την απόδοση μεταφοράς, καθιστώντας το μια πρόκληση για χρήση σε συστήματα μπαταριών μεγάλης κλίμακας.
Μέθοδος βελτίωσης:Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται κυρίως στη βελτίωση των εμπορικών μεμβρανών πολυολεφίνης (PP), όπως η επικάλυψη ή ο εμβολιασμός οργανικών/ανόργανων ενώσεων, και η επεξεργασία της επιφάνειας με ανθεκτικές στη θερμότητα ενώσεις. Η τεχνολογία ηλεκτροϊνοποίησης μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μεμβρανών νανοϊνών, οι οποίες μπορούν να ενισχύσουν τη θερμική σταθερότητα. Η προσθήκη υδρόφιλων υλικών μπορεί να βελτιώσει την απόδοση και να αναστείλει την ανάπτυξη δενδρίτη λιθίου.
Μη εύφλεκτος πολυμερής ηλεκτρολύτης
Παραδοσιακά προβλήματα ηλεκτρολυτών και οδηγίες βελτίωσης:Οι παραδοσιακοί ηλεκτρολύτες μπορεί να εμφανίσουν θερμική διαφυγή κάτω από ακραίες συνθήκες, οδηγώντας σε οξείδωση, ανάμειξη υλικού ηλεκτροδίων, ακόμη και έκρηξη. Η βελτίωση απαιτεί ολοκληρωμένη εξέταση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων και της σταθερότητας των ηλεκτρολυτών και των ηλεκτροδίων. Οι ηλεκτρολύτες στερεού πολυμερούς (SPEs) είναι η μελλοντική τάση, χωρίς διαρροές, υψηλή μηχανική αντοχή και σταθερότητα, που μπορούν να μειώσουν την αλλαγή όγκου των υλικών των ηλεκτροδίων.
| Τύποι SPEs | Χαρακτηριστικά |
| SPE από πολυαιθυλενοξείδιο |
1. Υψηλότερη αγωγιμότητα 2. Ρυθμιζόμενο μέγεθος 3. Χαμηλότερο κόστος 4. Εξαιρετικές ηλεκτροχημικές ιδιότητες |
| Πολυσιλοξάνη SPE |
1. Καλύτερη θερμική σταθερότητα 2. Μη εύφλεκτο 3. Υψηλότερες διηλεκτρικές σταθερές |
Χαρακτηριστικά και επιβραδυντικά φλόγας των SPE:Διαφορετικά SPE έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή αγωγιμότητα και ρυθμιζόμενο μέγεθος SPE από πολυαιθυλενοξείδιο. Τα πολυσιλοξανικά SPE έχουν καλή θερμική σταθερότητα και δεν είναι εύφλεκτα. Τα περισσότερα SPE απαιτούν την προσθήκη επιβραδυντικών φλόγας και τα ανόργανα επιβραδυντικά φλόγας είναι ασφαλέστερα και φθηνότερα, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των SPE και να αναστείλει την ανάπτυξη δενδρίτη λιθίου. Ωστόσο, η έρευνα των SPEs είναι σχετικά νέα και οι εφαρμογές τους είναι περιορισμένες και οι ηλεκτρολύτες του εμπορίου δεν μπορούν να αντικατασταθούν.
| Επιβραδυντικό φλόγας | Σκηνικά θέατρου |
| Επιβραδυντικό φλόγας αλογόνου |
1. Εξαιρετικά ελαφρύ, εξαιρετικά λεπτό 2. Δύσκολη ανάφλεξη 3. Οι δημιουργούμενες ελεύθερες ρίζες μετριάζουν την πυρόλυση 4. Το προϊόν αραιώνει τη συγκέντρωση καύσιμων αερίων και οξυγόνου |
| Οργανοφωσφορικά επιβραδυντικά φλόγας |
1. Καλύτερη πυρασφάλεια 2. Η σταθερότητα του κύκλου των μπαταριών βελτιώθηκε 3. Η ανάπτυξη των δενδριτών του λιθίου αναστέλλεται 4. Τα προϊόντα αποσύνθεσης μπορούν να συνδυαστούν με εύφλεκτες ελεύθερες ρίζες |
|
Ανόργανη φλόγα με βάση το φώσφορο Επιβραδυντικά |
1. Χαμηλή τοξικότητα 2. Χαμηλή Τιμή 3. Μπορεί να κάνει το φορτίο στην επιφάνεια του μετάλλου λιθίου ομοιόμορφο 4. Αποτρέψτε τους δενδρίτες του λιθίου. |
| Ανόργανο νανογεμιστικό επιβραδυντικό φλόγας |
1. Διευκολύνετε την κίνηση των ιόντων λιθίου και ενισχύετε τα ιόντα αγώγιμο. 2. Αποφύγετε την ανάπτυξη δενδριτών λιθίου 3. Δυνατότητα αναστολής της θερμικής διάδοσης 4. Βελτιωμένη θερμική σταθερότητα |
Αναστολή της ανάπτυξης δενδρίτη λιθίου
Σχηματισμός και κίνδυνοι δενδριτών λιθίου:Οι δενδρίτες λιθίου προκαλούνται από ανομοιόμορφη εναπόθεση ιόντων λιθίου κατά τη μετανάστευση των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε διαστολή ηλεκτροδίων, μειωμένη απόδοση κουλουμβίου, μειωμένη χωρητικότητα μπαταρίας και επιδείνωση της απόδοσης ασφαλείας, με αποτέλεσμα τελικά την αστοχία της μπαταρίας.
Μέθοδος αναστολής:Αναστέλλετε από δύο κατευθύνσεις: ηλεκτρολύτη και αρνητικό ηλεκτρόδιο μετάλλου λιθίου. Η προσθήκη προσθέτων σε ηλεκτρολύτες μπορεί να βελτιώσει τη λειτουργικότητα του στρώματος διεπαφής στερεών ηλεκτρολυτών (SEI), όπως πολυσουλφίδια λιθίου και νιτρικό λίθιο, τα οποία μπορούν να αναστείλουν αποτελεσματικά τον σχηματισμό δενδριτών λιθίου. Από την άποψη των ηλεκτροδίων, τα τρισδιάστατα αρνητικά ηλεκτρόδια λιθίου μπορούν να μειώσουν την αλλαγή όγκου των αρνητικών ηλεκτροδίων, όπως τα σύνθετα ηλεκτρόδια γραφενίου. Υπάρχουν επίσης μερικά νέα στρώματα SEI που μπορούν να αναστείλουν αποτελεσματικά την ανάπτυξη δενδρίτη λιθίου.
Μέθοδος ηλεκτροδίου επίστρωσης επιφάνειας
Ο ρόλος και η εφαρμογή της επιφανειακής επίστρωσης:Η επίστρωση επιφάνειας είναι η κύρια τεχνολογία για την προστασία των καθόδων και τη βελτίωση της θερμικής σταθερότητας των καθοδικών υλικών, η οποία μπορεί να καταστείλει τη μετάβαση φάσης και να ενισχύσει την αγωγιμότητα του υλικού. Η χρήση της τεχνολογίας επιφανειακής επίστρωσης σε υλικά τριαδικής καθόδου νικελίου κοβαλτίου μαγγανίου (NMC) μπορεί να βελτιώσει τη μικροδομή, την ηλεκτροχημική απόδοση, τη θερμική αγωγιμότητα, τον συντελεστή διάχυσης ιόντων και τη θερμική σταθερότητα, να μειώσει τις εσωτερικές δομικές βλάβες, να αυξήσει τη σταθερότητα του κύκλου και να αποτρέψει την έκπλυση μεταλλικών ιόντων.
Ειδικές μέθοδοι και αποτελέσματα:Εάν η συνθετική μέθοδος "επικάλυψη + διάχυση" χρησιμοποιείται για την επίστρωση συγκεκριμένων υλικών σε θερμοκρασία δωματίου ή η τεχνολογία κολλοειδούς πηκτής χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ομοιόμορφης επικάλυψης στην επιφάνεια της καθόδου σε χαμηλή θερμοκρασία, η σταθερότητα του κύκλου μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.
| Πτυχές | Βελτίωση μετά την επίστρωση |
| Μικροσκοπική μορφολογία και δομή |
1. Μια πιο συμπαγής δομή επιφάνειας στο θετικό ηλεκτρόδιο και διέταξε δομή πλέγματος 2. Αυξημένη σταθερότητα. |
| Ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός απόδοσης |
1. Σημαντικά βελτιωμένη σταθερότητα κύκλου 2. Ο πολλαπλασιαστής υλικού αυξήθηκε 3. Μειωμένη αντοχή υλικού 4. Η απόδοση μεταφοράς ηλεκτρονίων βελτιώθηκε |
|
Θερμική αγωγιμότητα, συντελεστής διάχυσης ιόντων και θερμική σταθερότητα |
1. Η απόδοση της μεταφοράς θερμότητας των καθαρών υλικών βελτιώθηκε 2. Η ψύξη της μπαταρίας και η απόδοση θερμικής ασφάλειας βελτιώθηκαν 3. βελτιώθηκε η απόδοση διάχυσης |
3. Περίληψη
Ταξινόμηση μεθόδων:Οι μέθοδοι για τη βελτίωση της ασφάλειας των μπαταριών ιόντων λιθίου μπορούν να χωριστούν χονδρικά σε δύο κατηγορίες: η μία είναι η παρακολούθηση των παραμέτρων της μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο ως σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για την πρόληψη ατυχημάτων ασφαλείας και η άλλη είναι η βελτίωση των εσωτερικών υλικών ή της δομής του την μπαταρία.
Ειδικά μέτρα και επιπτώσεις
Στην πρώτη κατηγορία, τα συστήματα θερμικής διαχείρισης μπαταρίας (BTMS) μπορούν να αποτρέψουν τη θερμική διαφυγή και το υβριδικό BTMS έχει το καλύτερο αποτέλεσμα ψύξης, αλλά η δομή είναι πολύπλοκη και το κόστος υψηλό. Οι αισθητήρες Fiber Bragg Grating (FBG) μπορούν να παρακολουθούν τη θερμοκρασία, την καταπόνηση και την πίεση της μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο και μπορούν να εντοπίσουν γρήγορα υπερθέρμανση ή μη φυσιολογικές συνθήκες.
Στη δεύτερη κατηγορία, οι ερευνητές βελτίωσαν την ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου βελτιώνοντας τους διαχωριστές, τους ηλεκτρολύτες, την αναστολή της ανάπτυξης δενδρίτη λιθίου και την επεξεργασία της επιφάνειας της καθόδου.