Einführung eines Lithium-Ionen-Akkus

Im Entwicklungsprozess neuer Energiefahrzeuge steht neben hohen Preisen, kurzer Reichweite und unzureichender Stromversorgungs- und Ersatzinfrastruktur die Stromsicherheit im Mittelpunkt von Verbrauchern und Fachleuten. Dieses Problem wirkt sich auch auf die spezifische Energieerhöhung der Leistungsbatterie aus.

"Die Entwicklung der Verhinderung von Kurzschlüssen, Überladungen, hitzebeständiger Kontrolle, Verbrennungshemmung und nicht brennbaren Elektrolyten ist der Schlüssel zur Sicherheit von Power-Batterien." Professor Xinping Ai von der Wuhan University betonte auf der 14. China International Industry Expo in Shanghai den Höhepunkt der Entwicklung der neuen Energiefahrzeugindustrie BBS.

Mechanismus des unsicheren Verhaltens einer Lithium-Ionen-Batterie

Xinping Ai wies darauf hin, dass der lithium-ionen-akku zusätzlich zur normalen Lade- und Entladereaktion viele potenzielle exotherme Nebenreaktionen aufweist. Wenn die Batterietemperatur oder die Ladespannung zu hoch ist, können diese exothermen Nebenreaktionen leicht verursacht werden.

Die Hauptüberhitzungsnebenreaktionen umfassen 1. Der SEI-Film zersetzt sich bei einer Temperatur von mehr als 130 ° C, so dass der Elektrolyt durch eine starke Reduktion auf der Oberfläche der freiliegenden hochaktiven Kohlenstoff-Negativelektrode freigesetzt wird, was zu einer Zunahme führt in Batterietemperatur. Dies ist die Hauptursache für das thermische Durchgehen der Batterie.

2. Die Wärme des positiven Zustands der positiven Elektrode im geladenen Zustand und die durch den aktiven Sauerstoff verursachte Zersetzung des Elektrolyten verstärken die Wärmespeicherung innerhalb der Batterie weiter und fördern das thermische Durchgehen.

3. Die thermische Zersetzung des Elektrolyten bewirkt, dass der Elektrolyt Wärme abführt und den Temperaturanstieg der Batterie beschleunigt.

4. Die Reaktion des Bindemittels mit einer hochaktiven negativen Elektrode. Die Anfangstemperatur der Reaktion von LixC6 mit PVDF beträgt etwa 240 ° C, die Spitzentemperatur beträgt 290 ° C und die Reaktionswärme beträgt 1500 J / g.

Die Hauptreaktion der Überladung besteht darin, dass der organische Elektrolyt oxidiert und sich zersetzt, um organisches niedermolekulares Gas zu erzeugen, wodurch der Innendruck der Batterie ansteigt und die Temperatur ansteigt.

Wenn die Wärmeerzeugungsrate der exothermen Nebenreaktion höher ist als die Wärmeableitungsrate der Leistungsbatterie, steigen der Innendruck und die Temperatur der Batterie stark an und treten in einen unkontrollierbaren Selbsterhitzungszustand ein, dh die Wärme geht aus der Kontrolle, wodurch die Batterie brennt. Je dicker der Akku, je größer die Kapazität, desto langsamer die Wärmeableitung und je größer die Wärmeerzeugung, desto wahrscheinlicher ist es, dass Sicherheitsprobleme auftreten.

Auslösende Faktoren für ein unsicheres Verhalten der Lithium-Ionen-Batterie

Es umfasst hauptsächlich Kurzschlüsse, die durch die folgenden drei Bedingungen verursacht werden: 1 leitender Staub auf der Prozessoberfläche, positive und negative Polfehlausrichtung, Polstückgrat und Ungleichmäßigkeit der Elektrolytverteilung; 2 Metallverunreinigungen im Material; 3 Niedertemperaturladung, Hochstromladung, negative Elektrodenleistung Übermäßige Dämpfung führt zum Aufbringen von Lithium, Vibration oder Kollision auf die Oberfläche der negativen Elektrode.

Zusätzlich gibt es eine lokale Überladung, die durch Hochstromladung, extreme Überladung aufgrund der ungleichmäßigen Beschichtung des Polschuhs, ungleichmäßige Verteilung der Elektrohydraulik und Überladungsfaktoren wie übermäßige Dämpfung der positiven Elektrodenleistung verursacht wird.

Fortschritte in der Sicherheitstechnologie für lithium-ionen-akkus

Herkömmliche Verfahren wie die Konstruktion und Herstellung von Batteriesicherheit, PTC-Strombegrenzungsvorrichtungen, Drucksicherheitsventile, heißversiegelte Membranen und eine verbesserte thermische Stabilität von Batteriematerialien haben ihre Grenzen und können die Wahrscheinlichkeit eines unsicheren Verhaltens von Batterien nur bis zu einem gewissen Grad verringern. Xinping Ai betonte: Um das Problem grundlegend zu lösen, müssen neue Technologien zur Verhinderung von Kurzschluss, Verhinderung von Überladung, Kontrolle von Wärmeverlusten, Verbrennungshemmung und nicht brennbarem Elektrolyt untersucht und ein selbsterregter Sicherheitsschutzmechanismus für Batterien eingerichtet werden.

1. Internen Kurzschluss der Batterie verhindern: Schutzbeschichtungen wie Keramikmembranen und negative Wärmewiderstandsschichten.

2. Anti-Overcharge-Technologie.

A, Redoxleistung zum Additiv: Dem Elektrolyten wird ein redoxelektrisches Paar O / R zugesetzt. Wenn die Batterie überladen ist, wird R an der positiven Elektrode zu O oxidiert, und dann diffundiert O zur negativen Elektrode und wird zu R reduziert. Diese interne Zirkulation klemmt das Ladepotential auf einen sicheren Wert und hemmt die Elektrolytzersetzung und andere Elektrodenreaktionen.

Dimethoxybenzolderivate haben eine stabile Spannungsklemmfähigkeit, aber aufgrund der geringen Löslichkeit beträgt die Klemmkapazität weniger als 0,5 ° C; Die Selbstentladung des Akkus ist groß. Weitere Forschungen zur molekularen Struktur von Shuttle sind erforderlich.

Der reversible Überladeschutz löst nicht nur das Überladungsproblem des Akkus, sondern erleichtert auch das Kapazitätsgleichgewicht des einzelnen Akkus im Akkupack, verringert die Anforderungen an die Akkukonsistenz und verlängert die Lebensdauer des Akkus.

B, spannungsempfindliche Membran: Ein elektroaktives Polymer wird in die Mikroporen des Membranteils gefüllt. Im normalen Lade- und Entladespannungsbereich befindet sich die Membran in einem isolierenden Zustand und es ist nur eine Ionenleitung zulässig. Wenn die Ladespannung einen Steuerwert erreicht, wird das Polymer oxidiert und in einen elektronisch leitenden Zustand dotiert. Eine leitende Polymerbrücke wird zwischen der positiven und der negativen Elektrode gebildet, um den Ladestrom zu umgehen, wodurch ein Überladen der Batterie vermieden wird.

3. Technologie zur Verhinderung von thermischem Durchgehen.

A, temperaturempfindliche Elektrode (PTC-Elektrode): Das PTC-Material hat bei normaler Temperatur einen guten Kontakt mit dem in der Polymermatrix dispergierten leitfähigen Ruß und kann einen guten Elektronentransportkanal bilden und weist eine hohe Elektronenleitfähigkeit auf; Wenn die Temperatur auf die Curie-Übergangstemperatur des Verbundstoffs ansteigt, dehnt sich das Polymer aus. Die Matrix dehnt sich aus, der leitfähige Ruß hat keinen Kontakt mehr und die Leitfähigkeit des Verbundstoffs fällt stark ab.

Bei hohen Temperaturen steigt der Widerstand der PTC-Beschichtung, die zwischen dem PTC-Elektrodenstromkollektor und der aktiven Elektrodenbeschichtung eingebettet ist, stark an, wodurch die Stromübertragung unterbrochen, die Batteriereaktion beendet und die Sicherheit der Batterie aufgrund von thermischem Durchgehen verhindert wird.

Beispielsweise zeigt die PTC-Lithiumcobaltat (LiCoO2) -Elektrode, die experimentellen Ergebnisse, dass sie bei einer hohen Temperatur von 80 bis 120 ° C einen guten Selbsterregungs-Wärmeblocker-Effekt zeigt, die Sicherheit der Batterie durch Überladung verhindern kann und externer Kurzschluss.

Die PTC-Elektrode kann jedoch keinen internen Kurzschluss verursachen. Darüber hinaus müssen die Temperaturreaktionseigenschaften des Polymer-PTC-Materials noch weiter optimiert werden.

B, heißversiegelte Elektrode. Eine Schicht aus nanosphärischem Schmelzmaterial wird auf der Oberfläche der Elektrode oder Membran modifiziert. Bei normaler Temperatur bildet sich durch die Ansammlung von kugelförmigen Partikeln eine Porosität, die den Flüssigphasentransport von Ionen nicht beeinflusst. Wenn die Temperatur auf die Schmelztemperatur des kugelförmigen Materials ansteigt, schmilzt die Kugel zu einer dichten Membran, die den Ionentransport abschneidet und die Batteriereaktion beendet.

C, Wärmehärtungsbatterie: Dem Elektrolyten wird ein Monomer zugesetzt, das thermisch polymerisiert werden kann. Wenn die Temperatur steigt, tritt eine Polymerisation auf, der Elektrolyt wird verfestigt, der Ionentransport wird unterbrochen und die Batteriereaktion wird beendet. Zum Beispiel haben Experimente gezeigt, dass BMI-Elektrolytadditive einen geringen Einfluss auf das Laden und Entladen der Batterie haben. Bei hohen Temperaturen kann der BMI das Laden und Entladen des Akkus verhindern.

4. Nicht brennbarer Elektrolyt, um ein Verbrennen der Batterie zu verhindern. Das Organophosphat hat die Eigenschaften einer hohen Flammhemmung und einer starken Fähigkeit, Elektrolytsalze aufzulösen. Zum Beispiel DMMP (Dimethoxymethylphosphat): niedrige Viskosität (CP ~ 1,75, 25 ° C), niedriger Schmelzpunkt, hoher Siedepunkt (-50 ~ 181 ° C), starkes Flammschutzmittel (P-Gehalt: 25%), die Lithiumsalz hat eine hohe Löslichkeit.

Das flammhemmende Lösungsmittel weist jedoch die folgenden Probleme bei der Anwendung auf: schlechte Verträglichkeit mit der negativen Elektrode und geringe Effizienz beim Laden und Entladen der Batterie. Daher besteht die Notwendigkeit, passende filmbildende Additive zu finden.

Sicherheitsprobleme, die bei der Vermarktung von Leistungsbatterien berücksichtigt werden sollten

Für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Power-Batterien ist Xinping Ai der Ansicht, dass zum einen die lithium-eisenphosphat-batterie theoretisch nicht absolut sicher ist, da die thermische Zersetzung des positiven Elektrodenmaterials nur ein Teil der thermischen Durchgehensreaktion ist Akkus mit großer Kapazität sollten beim Laden vorsichtig sein. .

Zweitens kann aufgrund der Wahrscheinlichkeit der Batterieerkennung die durch Sicherheit getestete Leistungsbatterie nicht als absolut sicher nachgewiesen werden. Genau genommen sollte der Akku nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen des vollständigen Ladens und Entladens getestet werden. die Batterie nach dem Laden bei niedriger Temperatur; Das Batteriemodul und der Akku werden auf Sicherheit geprüft.

Und im Verlauf der Batterie können die Fahrzeughersteller als Leistungsbatterie in einem Umgebungstemperaturbereich von 20 bis 45 ° C nicht nur die Batterielebensdauer und -zuverlässigkeit verbessern, sondern auch die durch a Kurzschluss und thermisches Durchgehen bei hohen Temperaturen.

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