Amerikanische Wissenschaftler verbessern das Design von Lithiumbatterien, um interne Kurzschlussprobleme zu lösen

Kürzlich sagten Forscher des National Renewable Energy Laboratory des US-Energieministeriums, sie hätten ein internes Kurzschlussgerät entwickelt und erfolgreich Patentschutz beantragt. Der Leistungsschalter kann die internen Defekte simulieren, die dazu führen können, dass die Temperatur von lithium-ionen-batterien steigt und schließlich zu Wärmeverlusten führt. Der Hauptzweck der Forschung und Entwicklung des internen Kurzschlussschalters besteht darin, die Grundursache für den Temperaturanstieg und den Wärmeverlust der Lithiumionenbatterie durch Simulation der internen Defekte der Lithiumionenbatterie zu bestimmen und schließlich das Design von zu verbessern die Lithium-Ionen-Batterie.

Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses hat das National Renewable Energy Laboratory der Vereinigten Staaten bei dem Projekt mit der NASA zusammengearbeitet. Der Hauptinhalt der Zusammenarbeit besteht darin, durch gemeinsame Anstrengungen einen neuen und genaueren internen Kurzschlussschalter zu entwickeln, um das Folgeverhalten nach einem Kurzschluss der Batterie vorherzusagen. Schließlich kann beim Entwerfen einer einzelnen Batterie oder eines Batteriestapels ein entsprechender Sicherheitsmechanismus eingerichtet werden. Bisher wurden die ersten Produkte des oben genannten internen Kurzschlussschalterprojekts erfolgreich beim National Renewable Energy Laboratory, der NASA und den Herstellern von Lithiumbatterien eingesetzt. Durch die oben genannten internen Kurzschlussschalter können Produkte den oben genannten Benutzern effektiv helfen, die Auswirkungen interner Defekte der Batterie und entsprechender Lösungen zu lernen.

Das Kurzschlussproblem bei Lithiumbatterien wird normalerweise durch viele Faktoren verursacht, von denen der grundlegendste durch einige kleine interne Defekte verursacht wird. Wenn beispielsweise während des Herstellungsprozesses versehentlich eine kleine Menge Fremdmaterial zur Batterie hinzugefügt wird, weist die Batterie einige interne Defekte auf.

Der interne Leistungsschalter des National Renewable Energy Laboratory in den USA kann nicht nur die Leistung der Batterie vorhersagen, sondern auch verhindern, dass die Umgebung die Batterie beeinträchtigt und Wärmeverluste verursacht. Wenn in der Zelle ein Kurzschlussproblem auftritt, wird durch die Begrenzung des Wärmeverlusts auf eine Zelle die Beschädigung der gesamten Batterie wirksam verringert. Die Verwendung interner Leistungsschalter kann den Herstellern von Lithiumbatterien helfen, ihre Batteriestrukturen zu optimieren, um den Wärmeverlust der gesamten Batterie zu minimieren. Zu den Maßnahmen, die üblicherweise zur Optimierung des Designs von Batteriestrukturen eingesetzt werden, gehören das Hinzufügen von Schutzbarrieren zwischen Zelleneinheiten, die Gewährleistung der Begrenzung des Zellverlusts und die Einrichtung eines speziellen Präventionsmechanismus zwischen Zellstromanschlüssen.

Der neue interne Leistungsschalter ist ein revolutionäres Design für die aktuellen internen Kurzschlussmaßnahmen. Gegenwärtig umfassen Maßnahmen, die den internen Kurzschluss der Batterie aktiv fördern können, hauptsächlich Nagelpunktion, Hartstabpunktion, Stoßbatterie, Hinzufügen einer Sperrspannung zur Batterie und Erhöhen der Batterietemperatur. Als eine Struktur, die in den inneren Teil der Batterie eingebaut ist, wird festgestellt, dass die interne Kurzschlussvorrichtung den internen Defekt der Batterie effektiv simulieren kann. Gleichzeitig kann durch den Einsatz des internen Leistungsschalters der interne Kurzschluss der Batterie experimentell untersucht werden, ohne die äußere Struktur der Batterie zu beschädigen.

Im Vergleich zu den herkömmlichen internen Kurzschlussmaßnahmen ist das interne Kurzschlussgerät eine Art Wärmemanagementschalter, der vollständig in das Innere der Batterie eingebaut ist. Sein Arbeitsprozess ist ziemlich zuverlässig und es ist auch ziemlich kontrollierbar. Es kann auch an einer beliebigen Position innerhalb der Batterie platziert werden und es kann auch alle vier Kurzschlussverfahren simulieren, einschließlich Elektroden-Elektroden-Kurzschluss, Elektroden-Kathoden-Kurzschluss, Elektroden-Anoden-Kurzschluss und Kathoden-Anoden-Kurzschluss. Unterschiedliche Kurzschlussmethoden entsprechen unterschiedlichen Reaktionen.

Die interne Struktur der neuen internen Kurzschlussvorrichtung besteht aus einer kleinen Kupfer-Aluminium-Scheibe, einer Kupferkugel, einem Polyethylen- oder Polypropylen-Separator und einer Schicht Wachsfilm (die Dicke des Wachsfilms entspricht dem Durchmesser eines Haardrahtes ). Nachdem der interne Kurzschlussschalter in die Batterie eingelegt wurde, kann der Wachsfilm auf der Oberfläche des internen Kurzschlussschalters durch Erhitzen des internen Kurzschlussschalters geschmolzen werden, so dass die Metallteile im Kurzschluss miteinander in Kontakt treten können und schließlich Kurzschluss auslösen. Nachdem ein Kurzschluss innerhalb der Batterie aufgetreten ist, beginnen die innerhalb und außerhalb der Batterie angeordneten Sensoren zu arbeiten, um die nachfolgende Reaktion der Batterie aufzuzeichnen.

Das Wachsfilmproblem ist die weitere Erforschung des internen Kurzschlussschalters. Die Paraffinschmelztemperatur beträgt 30 ° C bis 150 ° C, aber die Forscher fanden heraus, dass das in den obigen internen Kurzschlussschaltern verwendete Paraffinmaterial nicht flexibel genug ist, um zu brechen, und aus diesem Grund beim Einbetten in die Batterie gebrochen werden kann. Am Ende entschieden sich die Forscher für mikrokristallines Paraffin, das widerstandsfähiger ist und in nichtindustriellen Anwendungen wie Kosmetika und Haarspray weit verbreitet ist. Durch Mischen des obigen mikrokristallinen Paraffins mit gewöhnlichem Paraffin können wir Paraffinmaterialien erhalten, die die Anforderungen des internen Kurzschlussschalters hinsichtlich Haftung, Flexibilität und Härte erfüllen.

Bisher forschen Keyser und sein Team seit mehr als fünf Jahren an der internen Kurzschlussschaltertechnologie. Jetzt verhandelt es mit verschiedenen Batterieherstellern über spezifische Fragen der kommerziellen Zusammenarbeit, deren letztendliches Ziel darin besteht, das breite Anwendungsspektrum seiner internen Kurzschlussschalter zu fördern.

Das National Renewable Energy Laboratory der Vereinigten Staaten gab bekannt, dass es weiterhin mit der NASA im Bereich der Sicherheit von Luft- und Raumfahrtbatterien zusammenarbeiten wird. Gleichzeitig haben immer mehr Batteriehersteller begonnen, die Verwendung der oben genannten neuen internen Kurzschlussschalter zu akzeptieren. Zusätzlich zu den internen Leistungsschaltern haben Forscher des National Renewable Energy Laboratory in den USA verschiedene Modelle und verschiedene Simulationswerkzeuge übernommen, um die Sicherheit von Batterien auf mehreren physikalischen Ebenen umfassend zu untersuchen. Auf molekularer Ebene kann das optimale Design der Batterieelektrodenoberfläche die Elektrodenzersetzung und die entsprechenden Gaserzeugungsprobleme wirksam reduzieren. Auf Batterieebene wird der Trend der Innendruckänderung durch Simulation erhalten.

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