Was ist das Sicherheitsproblem von Lithium-Ionen-Batterien?

Die innere Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien wird durch thermisches Durchgehen im Inneren der Batterie und die Ansammlung von Wärme verursacht, wodurch die Innentemperatur der Batterie kontinuierlich ansteigt. Die externe Leistung ist das Phänomen der intensiven Energiefreisetzung wie Verbrennung und Explosion.

Die Batterie ist ein Energieträger mit hoher Dichte. Eigentlich gibt es unsichere Faktoren. Je höher die Energiedichte ist, desto größer ist die Auswirkung der intensiven Energiefreisetzung und desto ausgeprägter ist das Sicherheitsproblem. Hochenergieträger wie Benzin, Erdgas und Acetylen haben alle die gleichen Probleme, und die Zahl der Sicherheitsunfälle, die jedes Jahr auftreten, ist zahlreich.

Unterschiedliche elektrochemische Systeme, unterschiedliche Kapazitäten, Prozessparameter, Verwendungsumgebungen und Verwendungsgrade wirken sich stärker auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien aus.

Da die Batterie während des Energiefreisetzungsprozesses Energie speichert, steigt die Innentemperatur der Batterie weiter an, wenn die Wärmeerzeugungs- und -akkumulationsgeschwindigkeit der Batterie größer als die Wärmeableitungsgeschwindigkeit ist. Die Lithium-Ionen-Batterie besteht aus hochaktivem Anodenmaterial und organischem Elektrolyten, und es ist sehr leicht, beim Erhitzen heftige chemische Nebenreaktionen zu entwickeln. Solche Reaktionen erzeugen eine große Wärmemenge und führen sogar zu einem "thermischen Durchgehen", das die Hauptursache für gefährliche Unfälle in der Batterie ist.

Informationen zur Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

Das thermische Durchgehen in der Lithium-Ionen-Batterie weist darauf hin, dass einige der chemischen Reaktionen in der Batterie nicht den Erwartungen entsprechen und sich in einem unkontrollierbaren und ungeordneten Zustand befinden, was zu einer schnellen und intensiven Energiefreisetzung führt. .

Lassen Sie uns also sehen, welche chemischen Reaktionen dort stattfinden, begleitet von viel Wärmeerzeugung, die zu einem thermischen Durchgehen führt.

1. SEI-Membranzersetzung, exotherme Elektrolyt-Nebenreaktion

Die Festelektrolytmembran wird während des Anfangszyklus der Lithiumionenbatterie gebildet. Wir möchten nicht, dass die SEI-Membran zu dick oder wünschenswert ist. Es gibt einen vernünftigen SEI-Film, um das aktive Material der negativen Elektrode vor einer Reaktion mit dem Elektrolyten zu schützen.

Wenn jedoch die Innentemperatur der Batterie etwa 130 ° C erreicht, wird der SEI-Film zersetzt, wodurch die negative Elektrode vollständig freigelegt wird, und der Elektrolyt wird auf der Oberfläche der Elektrode weitgehend freigesetzt, was die Innentemperatur der Batterie verursacht Batterie schnell zu steigen.

Dies ist die erste exotherme Nebenreaktion innerhalb der Lithiumbatterie und der Ausgangspunkt für eine Reihe von Problemen mit dem thermischen Durchgehen.

2. Thermische Zersetzung des Elektrolyten

Aufgrund der exothermen Nebenreaktion des Elektrolyten in der negativen Elektrode wird die Innentemperatur der Batterie kontinuierlich erhöht, was eine thermische Zersetzung von LiPF6 und des Lösungsmittels im Elektrolyten weiter verursacht.

Diese Nebenreaktion tritt in einem Temperaturbereich von ungefähr 130 ° C bis 250 ° C auf, was von einer großen Menge an Wärmeerzeugung begleitet wird, die die Temperatur innerhalb der Batterie weiter erhöht.

3. Thermische Zersetzung des Kathodenmaterials

Wenn die Innentemperatur der Batterie weiter ansteigt, wird das aktive Material der positiven Elektrode zersetzt, und diese Reaktion tritt im Allgemeinen zwischen 180 ° C und 500 ° C mit einer großen Menge Wärme und Sauerstoff auf.

Unterschiedliche positive Elektrodenmaterialien, die durch die Zersetzung des aktiven Materials erzeugte Wärme ist unterschiedlich und der freigesetzte Sauerstoffgehalt ist ebenfalls unterschiedlich. Lithiumeisenphosphat-Kathodenmaterial weist aufgrund der geringeren Wärmeentwicklung während der Zersetzung die höchste thermische Stabilität aller Kathodenmaterialien auf. Wenn ternäre Nickel-Kobalt-Mangan-Materialien zersetzt werden, wird mehr Wärme erzeugt, begleitet von einer großen Menge an Sauerstoff, die zur Verbrennung oder Explosion neigt, so dass die Sicherheit relativ gering ist.

4. Reaktion des Bindemittels mit negativ aktivem Material

Die Reaktionstemperatur des negativen aktiven Materials LixC6 und des PVDF-Bindemittels beginnt bei etwa 240 ° C, der Peak erscheint bei 290 ° C und die Reaktionsexotherme erreicht 1500 J / g.

Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass das thermische Durchgehen der Lithiumionenbatterie nicht sofort erfolgt, sondern ein schrittweiser Prozess ist. Dieser Prozess, der im Allgemeinen durch Überladung, Laden und Entladen mit hoher Rate, internen Kurzschluss, externen Kurzschluss, Vibration, Kollision, Abfall, Aufprall usw. verursacht wird, verursacht in kurzer Zeit eine große Wärmemenge in der Batterie sammelt sich kontinuierlich an und drückt die Temperatur der Batterie kontinuierlich an.

Sobald die Temperatur auf die Schwellentemperatur der inneren Kettenreaktion (etwa 130 ° C) ansteigt, erzeugt das Innere der Lithium-Ionen-Batterie spontan eine Reihe von exothermen Nebenreaktionen und erhöht die Wärmeakkumulation und den Temperaturanstieg innerhalb der Batterie weiter . Eine große Menge brennbaren Gases wird ausgefällt. Wenn die Temperatur auf den Flammpunkt und den Zündpunkt von internen Lösungsmitteln und brennbaren Gasen ansteigt, führt dies zu Sicherheitsunfällen wie Verbrennungen und Explosionen.

Frische Lithium-Ionen-Batterien haben die Sicherheitstest-Zertifizierung bestanden und stellen nicht die Lebenszyklus-Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien dar. Nach der uns vorliegenden Analyse kann im Langzeitgebrauchsprozess eine Lithiummetallablagerung auf der Oberfläche der Anode, eine Elektrolytzersetzung und eine flüchtige Ablagerung, ein Ablösen des aktiven Materials der Kathode, eine Verformung der inneren Struktur der Batterie und ein Mischen der Materialien auftreten Mit Metallverunreinigungen und vielen anderen unerwarteten Veränderungen verursachen diese einen Kurzschluss im Inneren der Batterie, der viel Wärme erzeugt. Darüber hinaus führen verschiedene externe Missbrauchssituationen wie Überladung, Extrusion, Metallpunktion, Kollision, Sturz, Aufprall usw. dazu, dass die Batterie in kurzer Zeit viel Wärme erzeugt und zur Ursache von Wärme wird Renn weg.

Bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien gibt es keine absolute Sicherheit, sondern nur relative Sicherheit. Wir müssen versuchen, Missbrauch zu vermeiden und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens gefährlicher Ereignisse zu verringern. Gleichzeitig müssen wir mit den Hauptkomponenten wie positiven und negativen Materialien, Elektrolyten und Separatoren beginnen und Materialien mit ausgezeichneter chemischer Stabilität und thermischer Stabilität auswählen. Flammhemmende Eigenschaften reduzieren bei Vorhandensein interner und externer Anreize für thermisches Durchgehen die Hitze interner Nebenreaktionen oder haben eine hohe Zündtemperatur, um thermisches Durchgehen zu vermeiden. Bei der Batteriestruktur und dem Gehäusedesign sollte die strukturelle Stabilität vollständig berücksichtigt werden, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erreichen, um äußeren Beanspruchungen standzuhalten und sicherzustellen, dass keine offensichtliche Verformung im Inneren vorliegt. Darüber hinaus ist es wichtig, die Wärmeableitungsleistung zu berücksichtigen. Wenn die Wärme rechtzeitig abgeführt werden kann, steigt die Innentemperatur nicht weiter an und es tritt kein thermisches Durchgehen auf.

Das Sicherheitsdesign von Lithium-Ionen-Batterien ist eine systematische Theorie. Es ist nicht umfassend, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien durch einfaches Zersetzen der Wärme der positiven Elektrodenmaterialien zu messen. Aus Systemsicht sind Lithiumeisenphosphatbatterien nicht unbedingt sicherer als ternäre Materialien, da es viele Faktoren gibt, die letztendlich das thermische Durchgehen beeinflussen, und die durch die Zersetzung des Kathodenmaterials erzeugte Wärme ist nur ein Faktor.

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