La seguridad de las baterías de litio con alto contenido de níquel se ha convertido en un consenso, pero las baterías de litio de estado sólido ahora están divididas
Un mercado de vehículos eléctricos que respeta la densidad energética ha planteado enormes desafíos a la seguridad de los paquetes de baterías y los vehículos completos. En 2018, hubo 52 accidentes de seguridad por millón de vehículos eléctricos en China. En términos de escenas, la carga, la conducción y el estacionamiento son escenas donde ocurren accidentes de seguridad.
Si se analizan las razones, el 58% de los accidentes por incendio son causados por fugas térmicas de las baterías de litio. Casi el 90% de la fuga térmica se debe a cortocircuitos. A nivel de la celda, los materiales positivos y negativos, el electrolito y el diafragma son el fusible directo de la fuga térmica. Después de agrupar, cómo suprimir la difusión térmica en el diseño estructural, la refrigeración y el control eléctrico se relaciona con si el riesgo de fuga térmica se puede reducir o sofocar.
Del 16 al 17 de octubre de 2019, se celebró en Shanghai la Conferencia de Tecnología de Baterías de Vehículos de Nueva Energía de Nueva Generación China-Japón-Corea de 2019. La conferencia se divide en dos foros, los temas son la seguridad y las soluciones térmicas de las baterías y la tecnología clave de las baterías de estado sólido y los desafíos de la industrialización.
El Foro 1, fabricantes de equipos originales (OEM), compañías de baterías de energía, universidades reconocidas, laboratorios e instituciones de prueba discutirán las causas y las soluciones para la fuga térmica de las baterías con alto contenido de níquel a medida que el nivel de energía específico de las baterías de energía continúa aumentando. El Foro 2 trata sobre el análisis de diferentes rutas de tecnología de baterías de estado sólido y el status quo.
Sistema para ver seguridad térmica
El ciclo de vida completo de una batería de potencia comienza desde la selección del sistema de material, hasta la finalización de la celda de la batería, el moldeado de módulos y PACKs, la gestión de la batería después de la instalación y aplicación, hasta el uso en la operación del vehículo.
La causa principal de la fuga térmica es la celda de la batería. Los electrodos positivo y negativo son el" fusible" y el electrolito es el" almacenamiento de combustible" ;. Solo necesita una" chispa" para provocar una fuga térmica o un incendio.
& quot; Chispas" provienen del interior de la celda o surgen del exterior. Los factores internos se refieren principalmente a factores inestables generados durante el diseño y la fabricación de la batería; Los factores externos se refieren principalmente a razones causadas por el personal y las condiciones externas durante el transporte, la instalación, la operación y el mantenimiento de la batería.
La falla de seguridad térmica de la batería es causada principalmente por un sobrecalentamiento local, que causa un cortocircuito dentro de la batería, o un micro cortocircuito causa daños en el diafragma de la batería y un cortocircuito en un área más grande.
Las baterías de iones de litio se han actualizado de NCM111 y NCM523 a NCM622 y NCM811. El contenido de níquel del material ternario del electrodo positivo continúa aumentando, la temperatura de liberación de oxígeno continúa bajando y la estabilidad térmica del material del electrodo positivo es cada vez peor. La disminución de la temperatura de liberación de oxígeno significa que la batería de litio es más resistente al calor. A medida que aumenta la temperatura, el material del electrodo positivo cambia de una estructura en capas a una estructura de espinela, y luego forma sal de roca y libera oxígeno activo. El crecimiento de la sal de roca y la liberación de oxígeno son los problemas fundamentales causados por la fuga térmica.
El abuso electroquímico es el problema más doloroso para las fábricas de celdas de batería. En condiciones de abuso, como choque térmico, sobrecarga y sobredescarga, el material activo y el electrolito dentro de la batería producirán dendritas de litio, que perforan el diafragma y provocan un cortocircuito interno. La evolución de litio en el electrodo negativo es una de las principales causas del crecimiento de las dendritas de litio. Por lo tanto, cómo prevenir las dendritas de litio es un tema importante.
El cortocircuito de los electrodos positivo y negativo causado por la falla del diafragma es una parte importante del descontrol térmico. Cuando se destruye la película de seguridad de la película SEI, el electrolito reacciona con el electrodo para generar calor, que derretirá el diafragma. Además, el enemigo que enfrenta el diafragma son las dendritas de litio, que amenazan su integridad y estabilidad.
Además de la falla de la batería causada por cortocircuito interno, sobrecarga, envejecimiento de la batería, etc., la falla mecánica en condiciones extremas como cortocircuito externo, extrusión, incendio, inmersión y colisión simulada también se convertirá en cortocircuito interno y provocará descargas eléctricas. falla, que eventualmente conducirá a una fuga térmica.
Algunas fallas y degradaciones del rendimiento que pueden ocurrir durante el ciclo de vida completo de la batería&harán que las baterías se utilicen más allá del rango de uso seguro y causarán algunos accidentes de seguridad.
La fábrica de baterías y el OEM trabajan juntos
Las causas internas y externas de la fuga térmica requieren la cooperación de los fabricantes de baterías y los OEM para proporcionar una solución general, incluidos materiales positivos y negativos, separadores, electrolitos, gestión de baterías y diseño de estructura PACK.
Para las fábricas de baterías, busque electrolitos retardadores de llama resistentes a altas temperaturas y altas temperaturas, materiales de cátodo monocristalino resistentes a altas temperaturas, materiales de ánodo que inhiban las dendritas de litio o utilice cátodos NMC811 recubiertos con protectores para mejorar la sequedad. La aplicación del diafragma francés introduce un diafragma de cerámica para suprimir la fuga térmica a nivel de la celda.
Para los fabricantes de equipos originales, prestar atención a la seguridad de la batería en sí está lejos de ser suficiente. Además de los problemas de la batería en sí, la conexión eléctrica de la batería, la seguridad mecánica, la conexión de carga, los problemas de uso diario y el manejo rápido de los problemas son el núcleo de la seguridad del vehículo eléctrico.
El sistema de protección de seguridad de la batería de potencia de OEM&está diseñado y verificado desde cuatro aspectos: monómero, módulo, BMS y sistema. Por un lado, los propios fabricantes de baterías garantizan la seguridad desde los enlaces de diseño y fabricación. Por otro lado, los OEM consideran la seguridad mecánica, eléctrica y térmica desde la perspectiva de la seguridad del módulo, como la distancia de seguridad, el diseño de fuerza y la protección.
En términos de estructura de ensamblaje, los OEM deben considerar varias condiciones de operación del vehículo, así como tuberías de enfriamiento, nuevas tecnologías de enfriamiento, alerta temprana de fugas térmicas y no proliferación. Al mismo tiempo, deben considerar la extinción activa de incendios y cómo extinguir incendios a través de estructuras externas.
Los OEM generalmente piensan en cómo mejorar el diseño de la seguridad del paquete de baterías desde el nivel del sistema. Ya se trate de materiales de electrodos positivos y negativos, electrolitos, diafragmas, el diseño estructural, la refrigeración, la gestión térmica y las advertencias de precaución del PACK después del grupo, son todos los objetos de análisis OEM.
La seguridad de las baterías de litio es un gran tema, que involucra todos los aspectos, desde los materiales, la producción hasta las aplicaciones. Garantizar la seguridad térmica de los vehículos eléctricos requiere la cooperación de los fabricantes de equipos originales, las fábricas de baterías y las instituciones de prueba para analizar el mecanismo de la fuga térmica y explorar nuevas tecnologías para retrasar la ocurrencia de la fuga térmica.
Diferentes sonidos de baterías de estado sólido.
El movimiento hacia adelante de los vehículos eléctricos indica que el estándar energético específico de las baterías eléctricas no retrocederá. La aplicación de materiales positivos y negativos de alto potencial se ha convertido en una tendencia, y el NCM811 y los ánodos de carbono de silicio están apareciendo cada vez más en las rutas técnicas de las fábricas de baterías. Pero el riesgo de incendio aún amenaza la aplicación de baterías con alto contenido de níquel. Por lo tanto, los fabricantes de baterías y los fabricantes de equipos originales (OEM) han centrado su atención en los electrolitos de estado sólido retardantes de llama y resistentes a altas presiones, con la esperanza de resolver el problema del equilibrio entre energía específica y seguridad.
Sin embargo, en esta conferencia China-Japón-Corea, las opiniones de los invitados chinos y japoneses sobre la investigación y aplicación de baterías de estado sólido son muy diferentes, desafiando las opiniones inherentes de la industria&sobre las baterías de estado sólido. . En relación con los esfuerzos concertados del sitio de la solución de seguridad con alto contenido de níquel, el sitio de la batería de estado sólido avanza con diferencias.
El experto japonés en baterías de estado sólido de 30 años, el Dr. Tadahiko Kubota, el ex experto en núcleos de baterías de Toyota y Honda de Japón, Ogi Eiki, comenta sobre el estado actual de la investigación sobre baterías de estado sólido que se pueden describir como" pesimista" ;. Es bastante difícil aplicar baterías de estado sólido a vehículos eléctricos. Por otro lado, las fábricas de baterías domésticas como Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Tongji y la Universidad de Shanghai Jiaotong están trabajando incansablemente con baterías de estado sólido.
Las opiniones de los expertos japoneses se pueden resumir de la siguiente manera: Toyota Sulfide aún se encuentra en la etapa de investigación y desarrollo, y la producción en masa es imposible con el nivel actual de tecnología. Su intención original de desarrollar baterías de estado sólido era reducir las baterías para vehículos híbridos. El mundo exterior cree erróneamente que las baterías de estado sólido se utilizan en vehículos eléctricos. Esta es la diferencia entre el pensamiento interno de Toyota&y la opinión pública externa.
En términos de seguridad, las baterías de estado sólido también pueden producir dendritas de litio, y la seguridad es muy preocupante. Y juzgar su seguridad no se puede juzgar por si el electrolito es inflamable. El problema más importante es el contacto directo entre el electrodo positivo y el electrodo negativo con alta densidad de energía.
Las baterías totalmente de estado sólido pueden aumentar la densidad de energía, una de las razones es que se pueden reducir los materiales externos. Pero esta no es solo una característica característica de las baterías totalmente de estado sólido.
En términos de carga rápida, el artículo de Toyota&y la mayoría de los investigadores no han confirmado ninguna evidencia de que todas las baterías de estado sólido se puedan cargar rápidamente. Todos dijeron que las dendritas de litio se forman durante la carga. Cuantas más personas comprendan las baterías totalmente de estado sólido, más niegan que se puedan cargar rápidamente.
La mayoría de las patentes de Toyota&en la última década están relacionadas con la impedancia. Ha estado estudiando este problema desde hace diez años y sigue siendo un gran problema.
Vistas de las fábricas de baterías domésticas: La propagación de incendios reales está directamente relacionada con los electrolitos líquidos orgánicos. Los electrolitos sólidos que van desde polímeros hasta electrolitos cerámicos pueden mejorar la seguridad de la batería en diversos grados. En términos de seguridad y densidad de energía, las baterías de estado sólido se han mejorado en comparación con las baterías tradicionales de iones de litio en el pasado. La premisa es que debemos tener una buena tecnología para resolver el problema de la interfaz, y asegurarnos de que el electrolito sólido pueda adaptarse al diseño de la batería y cumplir con los requisitos de batería de alta relación de energía.
Creemos que las baterías de estado sólido tienen ventajas en algunos aspectos. Cuando el diafragma y el electrolito se reemplazan con sustancias sólidas, tendrá una mayor seguridad. Cuando se aumenta el umbral de seguridad de todo el sistema, este sistema puede utilizar materiales positivos y negativos de alto potencial, como electrodos negativos de metal de litio, y tendrá una mayor densidad de energía en el futuro.
La idea actual es ser compatible con los equipos de baterías de litio existentes y la tecnología de baterías de litio tanto como sea posible, y reducir el costo tanto como sea posible. Debido a que las baterías de estado sólido tienen alta densidad de energía y alta seguridad, pueden usarse primero en algunas situaciones especiales.
La ventaja de la densidad de energía de las baterías de estado sólido no es relativamente obvia a nivel de celda y es más prominente a nivel de PACK. Para 2021, las baterías de estado sólido utilizarán materiales activos con tasas de utilización más altas, y la densidad de energía a nivel de celda será la misma que la de las baterías líquidas, y luego la superará gradualmente.
Aunque los expertos nacionales y extranjeros tienen disputas sobre la densidad de energía y la seguridad de las baterías de estado sólido, básicamente creen que la aplicación comercial de las baterías de estado sólido es un proceso largo para resolver algunas de las deficiencias de las baterías líquidas. Por lo tanto, las baterías de estado sólido se pueden importar primero de los campos de las motocicletas y la electrónica de consumo y luego ingresar al campo de los vehículos eléctricos cuando las tres dimensiones de seguridad, rendimiento y costo estén maduras.
