Bateriile cu litiu au avantajele portabilității și încărcării rapide, așa că de ce mai circulă pe piață bateriile plumb-acid și alte baterii secundare?
Pe lângă problemele de cost și diferitele domenii de aplicare, un alt motiv este securitatea.
Litiul este cel mai activ metal din lume.Deoarece caracteristicile sale chimice sunt prea active, atunci când metalul litiu este expus la aer, va avea o reacție de oxidare acerbă cu oxigenul, deci este predispus la explozie, ardere și alte fenomene.În plus, reacția redox va avea loc și în interiorul bateriei cu litiu în timpul încărcării și descărcării.Explozia și arderea spontană sunt cauzate în principal de acumularea, difuzia și eliberarea bateriei cu litiu după încălzire.Pe scurt, bateriile cu litiu vor genera multă căldură în timpul procesului de încărcare și descărcare, ceea ce va duce la creșterea temperaturii interne a bateriei și la temperatura neuniformă între bateriile individuale, provocând astfel performanța instabilă a bateriei.
Comportamentele nesigure ale bateriei termice cu litiu-ion (inclusiv supraîncărcarea și supradescărcarea bateriei, încărcarea și descărcarea rapidă, scurtcircuit, condiții mecanice de abuz, șoc termic la temperatură ridicată etc.) pot declanșa reacții secundare periculoase în interiorul bateriei și generează căldură, deteriorarea directă a filmului pasiv de pe suprafața electrodului negativ și a electrodului pozitiv.
Există multe motive pentru declanșarea accidentelor termice de evadare ale bateriilor cu ioni de litiu.În funcție de caracteristicile declanșării, acesta poate fi împărțit în declanșarea abuzului mecanic, declanșarea abuzului electric și declanșarea abuzului termic.Abuz mecanic: se referă la acupunctură, extrudare și impact cu obiecte grele cauzate de coliziunea vehiculului;Abuz electric: în general cauzat de gestionarea necorespunzătoare a tensiunii sau defecțiunea componentelor electrice, inclusiv scurtcircuit, supraîncărcare și supradescărcare;Abuzul de căldură: cauzat de supraîncălzirea cauzată de gestionarea necorespunzătoare a temperaturii.
Aceste trei metode de declanșare sunt interdependente.Abuzul mecanic va cauza, în general, deformarea sau ruperea diafragmei bateriei, ducând la contact direct între polii pozitivi și negativi ai bateriei și scurtcircuit, ducând la abuz electric;Cu toate acestea, în condițiile abuzului de energie electrică, generarea de căldură, cum ar fi căldura Joule, crește, determinând creșterea temperaturii bateriei, care se transformă în abuz de căldură, declanșând în continuare reacția secundară de generare a căldurii de tip lanț în interiorul bateriei și, în cele din urmă, ducând la apariția evadarea căldurii bateriei.
Evacuarea termică a bateriei este cauzată de faptul că rata de generare a căldurii a bateriei este mult mai mare decât rata de disipare a căldurii, iar căldura se acumulează în cantitate mare, dar nu este disipată în timp.În esență, „fuga termică” este un proces de ciclu de feedback pozitiv al energiei: creșterea temperaturii va face ca sistemul să devină fierbinte, iar temperatura va crește după ce sistemul devine fierbinte, ceea ce, la rândul său, va face ca sistemul să devină mai fierbinte.
Procesul de evadare termică: când temperatura internă a bateriei crește, filmul SEI de pe suprafața filmului SEI se descompune la temperaturi ridicate, ionul de litiu încorporat în grafit va reacționa cu electrolitul și liantul, împingând și mai mult temperatura bateriei în sus la 150 ℃ și o nouă reacție exotermă violentă va avea loc la această temperatură.Când temperatura bateriei atinge peste 200 ℃, materialul catodic se descompune, eliberând o cantitate mare de căldură și gaz, iar bateria începe să se gonfleze și să se încălzească continuu.Anodul încorporat cu litiu a început să reacționeze cu electrolitul la 250-350 ℃.Materialul catodic încărcat începe să sufere o reacție violentă de descompunere, iar electrolitul suferă o reacție de oxidare violentă, eliberând o cantitate mare de căldură, generând temperatură ridicată și o cantitate mare de gaz, provocând arderea și explozia bateriei.
Problema precipitării dendritei de litiu în timpul supraîncărcării: după ce bateria cu cobalat de litiu este încărcată complet, o cantitate mare de ioni de litiu rămâne în electrodul pozitiv.Adică, catodul nu poate reține mai mulți ioni de litiu atașați la catod, dar în starea supraîncărcată, ionii de litiu în exces de pe catod vor înota în continuare către catod.Deoarece nu pot fi complet conținute, pe catod se va forma litiu metalic.Deoarece acest metal litiu este un cristal dendritic, se numește dendrit.Dacă dendrita este prea lungă, este ușor să străpungi diafragma, provocând un scurtcircuit intern.Deoarece componenta principală a electrolitului este carbonatul, punctul său de aprindere și punctul de fierbere sunt scăzute, astfel încât va arde sau chiar va exploda la temperatură ridicată.
Dacă este o baterie cu litiu polimer, electrolitul este coloidal, care este predispus la ardere mai violentă.Pentru a rezolva această problemă, oamenii de știință încearcă să înlocuiască materiale catodice mai sigure.Materialul bateriei cu litiu manganat are anumite avantaje.Se poate asigura că ionul de litiu al electrodului pozitiv poate fi complet încorporat în orificiul de carbon al electrodului negativ în starea de încărcare completă, în loc să aibă anumite reziduuri în electrodul pozitiv, cum ar fi cobalatul de litiu, care evită într-o oarecare măsură generarea de dendrite.Structura stabilă a manganatului de litiu face ca performanța sa de oxidare să fie mult mai mică decât cea a cobalatului de litiu.Chiar dacă există un scurtcircuit extern (mai degrabă decât un scurtcircuit intern), practic poate evita arderea și explozia cauzată de precipitarea metalului de litiu.Fosfatul de fier de litiu are o stabilitate termică mai mare și o capacitate de oxidare mai mică a electrolitului, deci are o siguranță ridicată.
Atenuarea îmbătrânirii bateriei cu ioni de litiu se manifestă prin atenuarea capacității și creșterea rezistenței interne, iar mecanismul său intern de atenuare a îmbătrânirii include pierderea materialelor active pozitive și negative și pierderea ionilor de litiu disponibili.Când materialul catodului este îmbătrânit și degradat, iar capacitatea catodului este insuficientă, este mai probabil să apară riscul de degajare a litiului din catod.În condiția supradescărcării, potențialul catodului la litiu va crește peste 3V, care este mai mare decât potențialul de dizolvare al cuprului, provocând dizolvarea colectorului de cupru.Ionii de cupru dizolvați vor precipita pe suprafața catodului și vor forma dendrite de cupru.Dendritele de cupru vor trece prin diafragmă, provocând un scurtcircuit intern, care afectează grav performanța de siguranță a bateriei.
În plus, rezistența la supraîncărcare a bateriilor învechite va scădea într-o anumită măsură, în principal datorită creșterii rezistenței interne și scăderii substanțelor active pozitive și negative, ducând la creșterea căldurii joule în timpul procesului de supraîncărcare a bateriilor.În cazul unei supraîncărcări mai puține, pot fi declanșate reacții secundare, provocând evadarea termică a bateriilor.În ceea ce privește stabilitatea termică, evoluția litiului din catod va duce la o scădere bruscă a stabilității termice a bateriei.
Într-un cuvânt, performanța de siguranță a bateriei învechite va fi mult redusă, ceea ce va pune serios în pericol siguranța bateriei.Cea mai comună soluție este echiparea sistemului de stocare a energiei bateriei cu un sistem de management al bateriei (BMS).De exemplu, bateriile 8000 18650 utilizate în Tesla Model S pot realiza monitorizarea în timp real a diferiților parametri fizici ai bateriei, pot evalua starea de utilizare a bateriei și pot efectua diagnosticare online și avertizare timpurie prin sistemul său de gestionare a bateriei.În același timp, poate efectua și controlul de descărcare și preîncărcare, gestionarea echilibrului bateriei și managementul termic.
Ora postării: Dec-02-2022