Sicherheit, Erkennung und Verbreitung von Lithiumbatterien

Mit der Popularität von Mobiltelefonen, digitalen Produkten und Elektrofahrzeugen spielen Lithium-Ionen-Batterien eine immer wichtigere Rolle im Leben der Menschen. Die Verwendung einer geringen Energiedichte, eine begrenzte Lebensdauer und andere Probleme werden häufig kritisiert, aber im Vergleich zu diesen Problemen stehen Probleme mit der Batteriesicherheit im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit.

In den letzten Jahren gab es überall Unfälle, die durch Batteriesicherheitsprobleme verursacht wurden, und die Folgen vieler Probleme sind schockierend, wie der schockierende Vorfall eines Lithiumbatteriebrandes der Boeing 787 "Dream" -Passagierflugzeuge und die großflächige Explosion des Batteriebrands von SamsungGalaxyNote7 Lithium-Ionen Das Problem mit der Batteriesicherheit löst erneut den Alarm aus.

Erstens die Zusammensetzung und das Funktionsprinzip der Lithium-Ionen-Batterie

Die Lithiumionenbatterie besteht hauptsächlich aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode, einem Elektrolyten, einem Separator und einem externen Verbindungs- und Verpackungselement. Unter diesen umfassen die positive Elektrode und die negative Elektrode ein aktives Elektrodenmaterial, ein leitfähiges Mittel, ein Bindemittel und dergleichen und werden gleichmäßig auf eine Kupferfolie und einen Aluminiumfolienstromkollektor aufgebracht.

Die Lithiumionenbatterie hat ein hohes positives Elektrodenpotential, häufig ein Lithium-Interkalations-Übergangsmetalloxid oder eine polyanionische Verbindung wie Lithiumcobaltat, Lithiummanganat, ternäres Lithiumeisenphosphat usw.; Das Anodenmaterial der Lithium-Ionen-Batterie ist normalerweise ein Kohlenstoffmaterial. Wie Graphit und nicht graphitierbarer Kohlenstoff; Der Lithiumionenbatterie-Elektrolyt ist hauptsächlich eine nichtwässrige Lösung, die aus einem organischen gemischten Lösungsmittel und einem Lithiumsalz besteht, wobei das Lösungsmittel hauptsächlich ein organisches Lösungsmittel wie Kohlensäure ist und das Lithiumsalz hauptsächlich einwertiges Polyanionlithiumsalz wie Lithiumhexafluorophosphat und dergleichen ist ;; Lithium-Ionen-Batterietrenner sind meist mikroporöse Membranen aus Polyethylen und Polypropylen, die dazu dienen, positive und negative Materialien zu isolieren, den Durchgang von Elektronen durch Kurzschlüsse zu verhindern und den Durchgang von Ionen im Elektrolyten zu ermöglichen.

Während des Ladevorgangs wird im Inneren der Batterie Lithium in Form von Ionen aus der positiven Elektrode extrahiert, vom Elektrolyten durch den Separator transportiert und in die negative Elektrode eingebettet. Außerhalb der Batterie wandern Elektronen vom externen Stromkreis zur negativen Elektrode. Während des Entladevorgangs werden Lithiumionen in der Batterie aus der negativen Elektrode entnommen, durch den Separator geleitet und in die positive Elektrode eingebettet. Außerhalb der Batterie wandern Elektronen vom externen Stromkreis zur positiven Elektrode. Beim Laden und Entladen wandert "Lithium-Ionen" zwischen den Batterien und nicht die einfache Substanz "Lithium", daher wird die Batterie "Lithium-Ionen-Batterie" genannt.

Zweitens das Sicherheitsrisiko von Lithium-Ionen-Batterien

Im Allgemeinen weisen Lithium-Ionen-Batterien Sicherheitsprobleme auf, die zu brennen oder sogar zu explodieren scheinen. Die Hauptursache für diese Probleme liegt im thermischen Durchgehen in der Batterie. Darüber hinaus einige externe Faktoren wie Überladung, Feuer, Extrusion, Reifenpanne und Kurzschluss. Andere Probleme können ebenfalls zu Sicherheitsproblemen führen. Lithium-Ionen-Batterien erzeugen beim Laden und Entladen Wärme. Wenn die erzeugte Wärme die Verlustkapazität der Batterie überschreitet, überhitzt sich die Lithiumionenbatterie und das Batteriematerial hat zerstörerische Nebenreaktionen wie SEI-Filmzersetzung, Elektrolytzersetzung und positive Elektrodenzersetzung, negative Elektrodenreaktion mit Elektrolyt und negative Elektrodenreaktion mit Klebstoff.

1. Sicherheitsrisiken von Kathodenmaterialien

Bei unsachgemäßer Verwendung der Lithium-Ionen-Batterie wird die Innentemperatur der Batterie erhöht, so dass die Zersetzung des aktiven Materials und die Oxidation des Elektrolyten im positiven Elektrodenmaterial auftreten. Gleichzeitig können beide Reaktionen eine große Wärmemenge erzeugen, was zu einem weiteren Anstieg der Batterietemperatur führt. Unterschiedliche Delithiierungszustände haben einen großen Einfluss auf den Gitterübergang des aktiven Materials, die Zersetzungstemperatur und die thermische Stabilität der Batterie.

2. Das Sicherheitsrisiko des Anodenmaterials

Das im Frühstadium verwendete Anodenmaterial ist metallisches Lithium. Die zusammengebaute Batterie neigt nach wiederholtem Laden und Entladen zu Lithiumdendrit und durchbohrt dann die Membran, was zu Kurzschlüssen, Flüssigkeitsleckagen und sogar zur Explosion der Batterie führt. Die Lithium-Interkalationsverbindung kann die Erzeugung von Lithiumdendriten wirksam vermeiden und die Sicherheit der Lithiumionenbatterie erheblich verbessern. Mit steigender Temperatur reagiert die kohlenstoffnegative Elektrode im Lithium-Interkalationszustand zunächst exotherm mit dem Elektrolyten. Unter den gleichen Lade- und Entladebedingungen ist die Wärmefreisetzungsrate des mit künstlichem Graphit in Lithium eingebauten Elektrolyten viel höher als die der interkalierten Kohlenstoffmikrokugeln, Kohlenstofffasern, Koks usw. mit Lithiuminterkalation.

3. Das Sicherheitsrisiko von Membran und Elektrolyt

Der Elektrolyt der Lithiumionenbatterie ist eine gemischte Lösung aus einem Lithiumsalz und einem organischen Lösungsmittel, wobei das handelsübliche Lithiumsalz Lithiumhexafluorophosphat ist, das Material bei hoher Temperatur einer thermischen Zersetzung unterliegt und einer thermochemischen Reaktion unterzogen wird eine Spurenmenge Wasser und ein organisches Lösungsmittel zur Verringerung der thermischen Stabilität des Elektrolyten. Das organische Lösungsmittel des Elektrolyten ist ein Carbonat. Diese Lösungsmittel haben einen niedrigen Siedepunkt und einen niedrigen Flammpunkt und werden leicht mit einem Lithiumsalz umgesetzt, um PF5 bei einer hohen Temperatur freizusetzen, und sind leicht oxidierbar.

4. Sicherheitsrisiken im Herstellungsprozess

Lithium-Ionen-Batterien im Herstellungsprozess, in der Elektrodenherstellung, in der Batteriemontage und in anderen Prozessen wirken sich auf die Sicherheit der Batterie aus. Wie die positive und negative Mischung, das Beschichten, Walzen, Schneiden oder Stanzen, das Zusammenbauen, das Einfüllen der Elektrolytmenge, das Versiegeln, chemische und andere Prozesse der Qualitätskontrolle wirken sich alle auf die Leistung und Sicherheit der Batterie aus. Die Gleichmäßigkeit der Aufschlämmung bestimmt die Gleichmäßigkeit der Verteilung des aktiven Materials auf der Elektrode, wodurch die Sicherheit der Batterie beeinträchtigt wird. Die Feinheit der Aufschlämmung ist zu groß. Wenn die Batterie geladen und entladen wird, ändert sich die Ausdehnung und Kontraktion des negativen Elektrodenmaterials stark, und es kann zu einer Ausfällung von metallischem Lithium kommen. Wenn die Feinheit der Aufschlämmung zu gering ist, ist der Innenwiderstand der Batterie möglicherweise zu groß. Wenn die Erwärmungstemperatur der Beschichtung zu niedrig ist oder die Trocknungszeit nicht ausreicht, bleibt das Lösungsmittel zurück und das Bindemittel wird teilweise gelöst, wodurch einige aktive Materialien leicht abgezogen werden können. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann das Bindemittel verkohlt sein und das aktive Material kann abfallen und einen internen Kurzschluss der Batterie verursachen.

5. Das Sicherheitsrisiko während des Gebrauchs der Batterie

Lithium-Ionen-Batterien sollten verwendet werden, um ein Überladen oder Entladen während des Gebrauchs zu minimieren. Insbesondere bei Batterien mit hoher Monomerkapazität können thermische Störungen eine Reihe von exothermen Nebenreaktionen verursachen, die zu Sicherheitsproblemen führen.

Drittens Sicherheitsprüfungsanzeigen für Lithium-Ionen-Batterien

Nachdem der lithium-ionen-akku hergestellt wurde, muss er vor Erreichen des Verbrauchers eine Reihe von Tests durchführen, um die Sicherheit des Akkus zu gewährleisten und das Sicherheitsrisiko zu verringern.

1. Extrusionstest: Legen Sie die voll aufgeladene Batterie auf eine ebene Fläche, üben Sie eine Druckkraft von 13 ± 1 kN durch einen Hydraulikzylinder aus und drücken Sie die Batterie aus einer Stahlstange mit 32 mm Durchmesser. Sobald der Extrusionsdruck den maximalen Stop-Squeeze erreicht, entzündet sich die Batterie nicht mehr und explodiert nicht.

2. Aufpralltest: Nachdem der Akku vollständig aufgeladen ist, wird er auf eine ebene Fläche gelegt. Die Stahlsäule mit einem Durchmesser von 15,8 mm befindet sich senkrecht in der Mitte der Batterie, und das Gewicht von 9,1 kg fällt aus einer Höhe von 610 mm frei auf die Stahlsäule über der Batterie. Die Batterie kann nicht abgefeuert oder explodiert werden.

3. Überladungstest: Der Akku ist gemäß dem 10C-Überladungstest mit 3C vollständig mit 1C aufgeladen. Wenn der Akku überladen wird und die Spannung für einen bestimmten Zeitraum auf eine bestimmte Spannung ansteigt, steigt die Batteriespannung schnell an, wenn sie eine bestimmte Zeit erreicht Wenn der Grenzwert hoch ist, ist die hohe Kappe der Batterie gebrochen, die Spannung fällt auf 0 V ab und die Batterie entzündet sich nicht und explodiert nicht.

4. Kurzschlusstest: Schließen Sie nach dem vollständigen Laden der Batterie die positiven und negativen Anschlüsse der Batterie mit einem Kabel mit einem Widerstand von nicht mehr als 50 mΩ kurz und testen Sie die Oberflächentemperatur der Batterie. Die maximale Temperatur der Batterieoberfläche beträgt 140 ° C. Der Batteriefachdeckel ist geöffnet und die Batterie entzündet sich nicht oder explodiert nicht.

5. Akupunkturtest: Legen Sie den voll aufgeladenen Akku auf eine ebene Fläche und stechen Sie den Akku mit einer Stahlnadel mit 3 mm Durchmesser radial durch. Die Testbatterie kann nicht abgefeuert oder explodiert werden.

6. Temperaturwechsel-Test: Der Temperaturwechsel-Test für Lithium-Ionen-Batterien wird verwendet, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien während des wiederholten Transports in Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturumgebungen während des Transports von Lithium-Ionen-Batterien zu simulieren. Der Test besteht darin, schnelle und extreme Temperaturen zu verwenden. Die Änderung geht weiter. Nach dem Test darf sich die Probe nicht entzünden, explodieren oder auslaufen.

Viertens Sicherheitslösungen für Lithium-Ionen-Batterien

Angesichts der vielen Sicherheitsrisiken bei Material, Herstellung und Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist es ein Problem, das die hersteller von lithium-ionen-batterien lösen müssen, um die Teile zu verbessern, die für Sicherheitsprobleme anfällig sind.

1. Verbessern Sie die Sicherheit des Elektrolyten

Zwischen dem Elektrolyten und den positiven und negativen Elektroden besteht eine hohe Reaktivität. Insbesondere bei hohen Temperaturen ist es eine der effektiveren Methoden, um die Sicherheit des Akkus zu verbessern, um die Sicherheit der Batterie zu verbessern. Das Sicherheitsrisiko des Elektrolyten kann durch Zugabe von funktionellen Additiven, Verwendung neuer Lithiumsalze und Verwendung neuer Lösungsmittel wirksam gelöst werden.

Entsprechend den verschiedenen Funktionen von Additiven kann es in folgende Typen unterteilt werden: Sicherheitsschutzadditive, filmbildende Additive, Schutz von positiven Elektrodenadditiven, stabile Lithiumsalzadditive, lithiumfälelnde Additive, stromführende Korrosionsschutzadditive, und verbesserte Infiltrationsadditive.

Um die Leistung kommerzieller Lithiumsalze zu verbessern, haben die Forscher sie atomar substituiert und viele Derivate erhalten. Unter diesen haben Verbindungen, die unter Verwendung von Perfluoralkyl-substituierten Atomen erhalten werden, viele Vorteile, wie einen hohen Flammpunkt, eine ungefähre Leitfähigkeit und eine erhöhte Wasserbeständigkeit. ist eine Art vielversprechende Lithiumsalzverbindung. Ferner weist ein anionisches Lithiumsalz, das durch Sequestrieren eines Sauerstoffliganden mit einem Boratom als Zentralatom erhalten wird, eine hohe thermische Stabilität auf.

Für Lösungsmittel haben viele Forscher eine Reihe neuer organischer Lösungsmittel wie Carboxylate und organische Ether vorgeschlagen. Darüber hinaus haben ionische Flüssigkeiten auch eine Art Hochsicherheitselektrolyt, aber bei der relativ häufigen Verwendung von Elektrolyten auf Carbonatbasis ist die Viskosität ionischer Flüssigkeiten um Größenordnungen höher, die Leitfähigkeit und der Ionenselbstdiffusionskoeffizient sind niedriger und dort ist noch viel Arbeit vom praktischen Gebrauch entfernt.

2. Verbessern Sie die Sicherheit von Elektrodenmaterialien

Lithiumeisenphosphat und ternäre Verbundwerkstoffe gelten als kostengünstige, "sichere" ausgezeichnete Kathodenmaterialien und können in der Elektrofahrzeugindustrie weit verbreitet eingesetzt werden. Für das positive Elektrodenmaterial ist eine übliche Methode zur Verbesserung der Sicherheit die Modifizierung der Beschichtung. Beispielsweise kann eine Oberflächenbeschichtung des positiven Elektrodenmaterials mit einem Metalloxid einen direkten Kontakt zwischen dem positiven Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten verhindern, die Phasenänderung des positiven Elektrodenmaterials hemmen und seine strukturelle Stabilität verbessern, wodurch die Störung der Kationen im Kristallgitter verringert wird um die Wärmeentwicklung von Nebenreaktionen zu reduzieren.

Für das negative Elektrodenmaterial ist die Verbesserung der thermischen Stabilität des SEI-Films eine Schlüsselmethode zur Verbesserung der Sicherheit des negativen Elektrodenmaterials, da die Oberfläche häufig am anfälligsten für thermische chemische Zersetzung und Exotherme in der Lithiumionenbatterie ist. Die thermische Stabilität des negativen Elektrodenmaterials kann durch schwache Oxidation, Metall- und Metalloxidabscheidung, Polymer- oder Kohlenstoffbeschichtung verbessert werden.

3. Verbessern Sie das Sicherheitsdesign der Batterie

Neben der Verbesserung der Sicherheit von Batteriematerialien gibt es viele Sicherheitsmaßnahmen für handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien, z. B. das Einstellen von Batteriesicherheitsventilen, Schmelzsicherungen, das Reihenschalten von Bauteilen mit positivem Temperaturkoeffizienten, die Verwendung von heißversiegelten Membranen und das Laden von Spezialgeräten Schutzschaltungen und spezielle Batteriemanagementsysteme usw. sind ebenfalls Mittel zur Erhöhung der Sicherheit.

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