La seguridad y la solución de la batería de litio.
Con la popularización de los teléfonos móviles, los productos digitales y los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio están desempeñando un papel cada vez más importante en la vida de las personas &. A menudo se critican problemas de uso como la baja densidad energética y el ciclo de vida limitado. Sin embargo, en comparación con estos problemas, la seguridad de las baterías de litio es el centro de atención.
En los últimos años, abundan los accidentes causados por problemas de seguridad de las baterías, y las consecuencias de muchos problemas son impactantes, como el incidente del incendio en la batería de litio del Boeing 787 Dreamliner que conmocionó a la industria, y el incendio y explosión de la batería a gran escala. en el Samsung Galaxy Note 7. La seguridad de las baterías de iones de litio volvió a sonar la alarma.
La composición y el principio de funcionamiento de una batería de iones de litio.
Las baterías de iones de litio se componen principalmente de electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito, separador, conexión externa y componentes de embalaje. Entre ellos, el electrodo positivo y el electrodo negativo contienen materiales de electrodo activo, agentes conductores, aglutinantes, etc., que se recubren uniformemente sobre los colectores de corriente de lámina de cobre y lámina de aluminio.
El potencial de electrodo positivo de las baterías de iones de litio es relativamente alto, a menudo con óxidos de metales de transición intercalados con litio, o compuestos polianiónicos, tales como cobaltato de litio, manganato de litio, ternario, fosfato de hierro y litio, etc .; Los materiales negativos de las baterías de iones de litio suelen ser materiales de carbono, como grafito y carbono no grafitizado; El electrolito de la batería de iones de litio es principalmente una solución no acuosa, compuesta de una mezcla de disolvente orgánico y sal de litio, el disolvente es principalmente un disolvente orgánico como el ácido carbónico, y la sal de litio es principalmente una sal de litio polianiónica monovalente, como el hexafluorofosfato de litio, etc .; Los separadores de baterías de iones de litio son en su mayoría membranas microporosas de polietileno y polipropileno, que aíslan los materiales positivos y negativos, evitan los cortocircuitos causados por el paso de electrones y permiten el paso de los iones del electrolito.
Durante el proceso de carga, dentro de la batería, el litio se extrae del electrodo positivo en forma de iones, transportado por el electrolito a través del diafragma y embebido en el electrodo negativo; fuera de la batería, los electrones migran del circuito externo al electrodo negativo. En el proceso de descarga: los iones de litio dentro de la batería se extraen del electrodo negativo, pasan a través del diafragma y se incrustan en el electrodo positivo; fuera de la batería, los electrones migran del circuito externo al electrodo positivo. Con carga y descarga, es" ion de litio" que migra entre las baterías en lugar del elemental&"litio &", por lo que la batería se llama&"batería de iones de litio &".
En segundo lugar, los peligros de seguridad de las baterías de iones de litio
En términos generales, los problemas de seguridad de las baterías de iones de litio se manifiestan como quemaduras o incluso explosiones. La causa principal de estos problemas es la fuga térmica dentro de la batería. Además, algunos factores externos, como sobrecarga, incendio, compresión, pinchazo y cortocircuito. Otros problemas también pueden provocar problemas de seguridad. Las baterías de iones de litio generarán calor durante la carga y descarga. Si el calor generado excede la capacidad de disipación de calor de la batería, la batería de iones de litio se sobrecalentará y el material de la batería descompondrá la película SEI, la descomposición del electrolito, la descomposición del electrodo positivo, el electrodo negativo y las reacciones secundarias destructivas como la reacción del electrolito y la reacción del electrodo negativo y el ligante.
1 Los peligros de seguridad de los materiales catódicos
Cuando la batería de iones de litio se usa incorrectamente, la temperatura interna de la batería aumentará y el material activo del material del electrodo positivo se descompondrá y el electrolito se oxidará. Al mismo tiempo, estas dos reacciones pueden generar mucho calor, lo que hace que la temperatura de la batería aumente aún más. Los diferentes estados de desleitización tienen efectos muy diferentes sobre la transformación reticular del material activo, la temperatura de descomposición y la estabilidad térmica de la batería.
2 Los peligros de seguridad de los materiales del ánodo
El material del electrodo negativo utilizado en los primeros días era litio metálico, y la batería ensamblada era propensa a producir dendritas de litio después de repetidas cargas y descargas, que luego perforarían el diafragma, provocando un cortocircuito, fugas e incluso explosión de la batería. Los compuestos de intercalación de litio pueden evitar eficazmente la generación de dendritas de litio y mejorar en gran medida la seguridad de las baterías de iones de litio. A medida que aumenta la temperatura, el electrodo de carbono negativo en el estado de intercalación de litio reacciona primero exotérmicamente con el electrolito. En las mismas condiciones de carga y descarga, la velocidad de liberación de calor de la reacción entre el electrolito y el grafito artificial intercalado con litio es mucho mayor que la de la reacción con microesferas de carbono mesofase intercaladas con litio, fibras de carbono, coque, etc.
3 Los peligros de seguridad del diafragma y el electrolito
El electrolito de la batería de iones de litio es una solución mixta de sal de litio y disolvente orgánico. La sal de litio comercial es hexafluorofosfato de litio. La estabilidad térmica del electrolito. El disolvente orgánico del electrolito es el carbonato, que tiene un punto de ebullición y un punto de inflamación bajos, y es fácil de reaccionar con la sal de litio para liberar PF5 a alta temperatura y es fácil de oxidar.
4 Riesgos de seguridad ocultos en el proceso de fabricación
Durante el proceso de fabricación de las baterías de iones de litio, procesos como la fabricación de electrodos y el montaje de la batería tendrán un impacto en la seguridad de la batería. El control de calidad de varios procesos, como el mezclado, recubrimiento, laminado, corte o punzonado de electrodos positivos y negativos, ensamblaje, llenado de electrolito, sellado y conformado, afectan el rendimiento y la seguridad de la batería. La uniformidad de la lechada determina la uniformidad de la distribución del material activo en el electrodo, lo que afecta la seguridad de la batería. Si la finura de la suspensión es demasiado grande, el material del electrodo negativo sufrirá cambios relativamente grandes durante la carga y descarga, y puede producirse la precipitación de litio metálico; si la finura de la lechada es demasiado pequeña, la resistencia interna de la batería será demasiado grande. Si la temperatura de calentamiento del revestimiento es demasiado baja o el tiempo de secado es insuficiente, el disolvente permanecerá y el aglutinante se disolverá parcialmente, provocando que algunos materiales activos se pelen fácilmente; una temperatura demasiado alta puede hacer que el aglutinante se carbonice y los materiales activos pueden caerse y provocar cortocircuitos internos en la batería.
5 peligros potenciales para la seguridad durante el uso de la batería
Las baterías de iones de litio deben minimizar la sobrecarga o la descarga excesiva durante el uso. Especialmente para las baterías con alta capacidad de monómero, la perturbación térmica puede causar una serie de reacciones secundarias exotérmicas, lo que genera problemas de seguridad.
Tres indicadores de prueba de seguridad de la batería de iones de litio
Después de que se produce la batería de iones de litio, antes de que llegue al consumidor, se requieren una serie de pruebas para garantizar la seguridad de la batería tanto como sea posible y reducir los posibles riesgos de seguridad.
1. Prueba de compresión: coloque la batería completamente cargada sobre una superficie plana, aplique una presión de 13 ± 1KN con un cilindro hidráulico y apriete la batería de la superficie plana de una varilla de acero con un diámetro de 32 mm. Una vez que la presión de apriete alcanza el tope máximo. Apriete, la batería no se incendia, simplemente no explote.
2. Prueba de impacto: después de que la batería esté completamente cargada, colóquela sobre una superficie plana, coloque una columna de acero con un diámetro de 15,8 mm verticalmente en el centro de la batería y deje caer un peso de 9,1 kg libremente desde una altura de 610 mm sobre la columna de acero sobre la batería. La batería no se incendia ni explota.
3. Prueba de sobrecarga: cargue completamente la batería con 1C y realice una prueba de sobrecarga de acuerdo con 3C sobrecarga 10V. Cuando la batería está sobrecargada, el voltaje se eleva a un cierto voltaje y se estabiliza durante un período de tiempo. Cuando se acerca a un cierto período de tiempo, el voltaje de la batería aumenta rápidamente. Cuando se alcanza un cierto límite, se quita la tapa superior de la batería, el voltaje cae a 0 V y la batería no se incendia ni explota.
4. Prueba de cortocircuito: una vez que la batería está completamente cargada, los electrodos positivo y negativo de la batería se cortocircuitan con un cable con una resistencia de no más de 50 mΩ y se prueba la temperatura de la superficie de la batería. La temperatura máxima de la superficie de la batería es de 140 ℃. La tapa de la batería está abierta y la batería no se incendia ni explota. .
5. Prueba de acupuntura: coloque la batería completamente cargada sobre una superficie plana y perfore la batería en dirección radial con una aguja de acero con un diámetro de 3 mm. La batería de prueba no se incendia ni explota.
6. Prueba de ciclo de temperatura: La prueba de ciclo de temperatura de la batería de iones de litio se utiliza para simular la seguridad de la batería de iones de litio cuando se expone repetidamente a un entorno de baja temperatura y alta temperatura durante el transporte o almacenamiento. La prueba consiste en utilizar cambios de temperatura rápidos y extremos. Después de la prueba, la muestra no debe disparar, explotar ni tener fugas.
Cuatro soluciones de seguridad para baterías de iones de litio
En vista de los muchos peligros ocultos para la seguridad de las baterías de iones de litio en el proceso de material, fabricación y uso, cómo mejorar las piezas que son propensas a problemas de seguridad es un problema que los fabricantes de baterías de iones de litio deben resolver.
1 Mejora la seguridad del electrolito
Existe una alta actividad de reacción entre el electrolito y los electrodos positivo y negativo, especialmente a altas temperaturas. Para mejorar la seguridad de la batería, mejorar la seguridad del electrolito es uno de los métodos más efectivos. Los posibles riesgos de seguridad del electrolito se pueden resolver de manera eficaz agregando aditivos funcionales, utilizando nuevas sales de litio y nuevos disolventes.
De acuerdo con las diferentes funciones de los aditivos, se pueden dividir en las siguientes categorías: aditivos de protección de seguridad, aditivos formadores de película, aditivos de protección de electrodos positivos, aditivos estabilizadores de sal de litio, aditivos promotores de precipitación de litio, aditivos anticorrosivos colectores de corriente y aditivos que mejoran la humectabilidad. .
Para mejorar el rendimiento de las sales comerciales de litio, los investigadores han sustituido átomos en ellas y han obtenido muchos derivados. Entre ellos, los compuestos obtenidos mediante la sustitución de átomos con grupos perfluoroalquilo tienen muchas ventajas, como un alto punto de inflamación, una conductividad similar y una mayor resistencia al agua. , Es una especie de compuesto de sal de litio con grandes perspectivas de aplicación. Además, la sal de litio aniónica obtenida por quelación del átomo de boro con el ligando de oxígeno tiene una alta estabilidad térmica.
En cuanto a los disolventes, muchos investigadores han propuesto una serie de nuevos disolventes orgánicos, como los ésteres de ácido carboxílico y los éteres orgánicos. Además, los líquidos iónicos también tienen una clase de electrolitos con alta seguridad, pero electrolitos basados en carbonato de uso relativamente común. La viscosidad de los líquidos iónicos es órdenes de magnitud mayor y la conductividad y el coeficiente de autodifusión de iones son bajos. Todavía hay mucho trabajo antes de la practicidad. Hacer.
2 Mejorar la seguridad de los materiales de los electrodos
El fosfato de litio y hierro y los materiales compuestos ternarios se consideran de bajo costo," excelente seguridad" materiales de cátodo, y pueden popularizarse en la industria de vehículos eléctricos. Para el material del electrodo positivo, el método común para mejorar su seguridad es la modificación del revestimiento. Por ejemplo, el recubrimiento de la superficie del material del electrodo positivo con un óxido metálico puede evitar el contacto directo entre el material del electrodo positivo y el electrolito, inhibir el cambio de fase del material del electrodo positivo y mejorar Su estabilidad estructural reduce el desorden de cationes en la red cristalina para reducir la generación de calor por reacciones secundarias.
Para el material del electrodo negativo, debido a que la superficie es a menudo la más propensa a la descomposición termoquímica y la generación de calor en la batería de iones de litio, mejorar la estabilidad térmica de la película SEI es un método clave para mejorar la seguridad del material del electrodo negativo. Mediante oxidación débil, deposición de metal y óxido de metal, recubrimiento de polímero o carbono, se puede mejorar la estabilidad térmica del material del electrodo negativo.
3 Diseño mejorado de protección de seguridad de la batería
Además de mejorar la seguridad de los materiales de la batería, las baterías comerciales de iones de litio adoptan muchas medidas de protección de seguridad, como configurar válvulas de seguridad de la batería, fusibles térmicos, conectar componentes con coeficientes de temperatura positivos en serie, usar diafragmas sellados térmicamente, cargar circuitos de protección dedicados, y el sistema de gestión de batería dedicado, etc., también es un medio para mejorar la seguridad.
Cinco proveedores de soluciones de seguridad para baterías de iones de litio
A medida que la seguridad de las baterías de iones de litio ha atraído cada vez más atención, muchas empresas han realizado investigación y desarrollo específicamente para los posibles peligros de seguridad en las baterías de iones de litio y han presentado soluciones efectivas de seguridad para las baterías.
Como el primer investigador de la tecnología de seguridad y advertencia de fuga térmica de baterías de energía doméstica y el pionero del dispositivo de extinción de incendios automático especial de caja de batería, Chuangwei New Energy fue pionera en el modelo de fuga térmica de batería de iones de litio" ;, que promovió el monitoreo de fugas térmicas de la caja de baterías y la extinción automática de incendios. Aplicación de tecnología a gran escala.
El" Modelo de fuga térmica de batería de iones de litio" se divide en tres dimensiones: vertical, horizontal y vertical. La dirección vertical es la redundancia de datos de múltiples sensores, es decir, se instalan múltiples conjuntos de datos de sensores en el mismo entorno para simular la curva de caracterización de datos de diferentes materiales y diferentes entornos; la dirección horizontal es el algoritmo de tiempo continuo para que los datos históricos del sensor eliminen el ruido. La interferencia resuelve eficazmente los problemas de falsas alarmas, falsas alarmas y retraso de alerta temprana en el método de umbral; La punción vertical, la acumulación de agujas sin filo y otros métodos se utilizan para simular el proceso de fuga térmica de diferentes tipos de baterías de potencia.
A través de la fusión tridimensional, métodos matemáticos, basados en una gran cantidad de experimentos y datos operativos reales, se resume la relación interna entre varias variables causadas por la fuga térmica y se utilizan principios neurológicos para formar un sistema extremadamente temprano, altamente confiable y propio. -operando" iones de litio" Modelo de fuga térmica de batería" realiza una alerta temprana y un control inteligente de los peligros ocultos en la duración de la batería.
Un gran número de ejemplos de alerta temprana ocurridos en la operación real del vehículo demostraron la efectividad y el avance de este modelo, convirtiéndolo en la tecnología central de la advertencia térmica de fuga de la caja de la batería actual y la extinción automática de incendios.
Shenzhen Benwei Battery es una empresa de alta tecnología especializada en R& D, producción y venta de baterías de iones de litio. Las áreas de aplicación de sus productos cubren: baterías de litio para vehículos eléctricos, baterías de litio, baterías de litio de almacenamiento de energía, etc. La empresa y los fabricantes de celdas de batería mantienen una relación de cooperación estable a largo plazo y aplican los últimos logros y conceptos tecnológicos a toda la serie de productos Procesos de desarrollo. El taller de fabricación está equipado con equipos de producción avanzados e instrumentos de prueba de primera clase. Al mismo tiempo, cuenta con un grupo de equipos de gestión de calidad y producción profesional, estrictamente en cada paso del enlace de producción, y mediante la optimización y mejora continua en el proceso para garantizar la seguridad de la batería.
