Aplikace a bezpečnostní problémy lithium-iontových baterií:Lithium-iontové baterie jsou široce používány kvůli jejich vysoké hustotě energie, vysokému výstupnímu výkonu a vysokému průměrnému výstupnímu napětí. K nehodám způsobeným poruchou baterie však dochází každý rok a málokdo aktivně rozumí bezpečnostním rizikům. Proto je identifikace a zmírnění bezpečnostních rizik lithiových baterií zásadní.
Hlavní obsah článku:Nejprve je analyzován fenomén tepelného úniku a diskutovány různé monitorovací systémy. Poté je zdůrazněna aplikace vláknových Braggových mřížkových senzorů (FBG) při detekci dat baterie v reálném čase. Nakonec jsou shrnuty metody pro snížení bezpečnostních problémů v lithiových bateriích, včetně použití povrchových povlaků elektrod, elektrolytů, separátorů a potlačení růstu lithiového dendritu. Tento obsah má referenční hodnotu pro budoucí výzkum bezpečnosti lithiových baterií.
1. Úvod
Jsou zdůrazněny otázky použití a bezpečnosti lithium-iontových baterií:rozvoj obnovitelné energie je trendem doby a baterie jsou všudypřítomné v každodenním životě. Lithium-iontové baterie jsou široce používané a klíčové pro rozvoj nových energetických polí. V posledních letech však jejich problém s přehříváním ovlivnil vývoj elektrických vozidel a bezpečnost baterií byla znepokojena.
Směr výzkumu a účel článku:Vědci používají různé technologie ke zlepšení bezpečnosti lithium-iontových baterií. V současné době je populárním směrem výzkum monitorování bezpečnosti v oblasti predikce tepelného úniku baterie a varovných metod. Cílem článku je shrnout příslušné pokročilé metody a představit nejnovější pokroky výzkumu.
2. Současné metody zlepšování bezpečnostních faktorů
Příčina bezpečnostní nehody:Při nesprávném použití lithiových baterií (např. přebití, přehřátí, nárazu, zkratu) se teplota abnormálně zvýší, což způsobí vnitřní chemické reakce a produkuje plyn a kouř. Pojistný ventil se otevře a teplo dále zvyšuje teplotu, což může vést ke spalování nebo explozi.
Způsoby, jak zlepšit bezpečnost:zahrnují především monitorování a předcházení bezpečnostním nehodám, modernizaci struktury baterií nebo výměnu problematických komponentů.
Specifické metody pro zlepšení bezpečnosti lithium-iontových baterií
Zabraňte tepelnému úniku
Princip tepelného úniku:Exotermická reakce materiálů uvnitř baterie způsobuje rychlé zahřátí baterie a uvolnění chemické energie. Přehřátí může způsobit více faktorů, jako je strukturální deformace, zkrat, přebíjení, stárnutí součástí, selhání chladicího systému atd. Vysoká hustota energie baterií a použití hořlavých elektrolytů zvyšuje riziko tepelného úniku.
Systém chlazení:Vědci vyvinuli systémy tepelného managementu baterií (BTMS), včetně systémů chlazení vzduchem a chlazení kapalinou, ale oba mají své nevýhody. Hybridní chladicí systém kombinuje výhody obou a dokáže lépe regulovat a řídit odvod tepla z baterie, přičemž konkrétní výběr by měl být určen podle situace.
| Chladicí systémy | Výhody | Nevýhody |
|
Vzduchem chlazené BTMS |
Lehká konstrukce Nízké náklady na vývoj a údržba. |
1. Nízká tepelná vodivost a zranitelnost vůči tepelné tavení. 2. Těžko použitelné v elektrických vozidlech. |
|
Chlazený kapalinou BTMS |
Vysoké tepelné a tepelné kapacity vodivosti. |
1. Náchylný k úniku kapaliny 2. Obtížné zlepšení systému kvůli složité struktuře |
| Hybridní BTMS | Lepší účinnost chlazení | 1. Více komponent a složitost |
Senzor vláknové Braggovy mřížky (FBG)
Princip monitorování:Předcházejte bezpečnostním rizikům sledováním několika příznaků baterie v reálném čase. Moderní metody často nepřímo odrážejí stav baterie monitorováním tepelného toku nebo detekcí praskání elektrod, zatímco senzory FBG mohou přímo nebo nepřímo měřit teplotní a deformační odezvu uvnitř i vně baterie a studovat degradaci elektrolytu prostřednictvím interakce mezi světlem přenášeným optickými vlákny a okolní chemické prostředí.
výhody:Snímače FBG mají vlastnosti minimálně invazivního, antielektromagnetického rušení a izolace. Mohou stále přesně poskytovat data při vysoké teplotě a vysokém tlaku. Když indikátory dosáhnou kritické hodnoty, lze provoz baterie upravit nebo včas ukončit, čímž se zvýší bezpečnost používání baterie.
|
Teplota Sledování |
Externí sledování teploty: FBG senzor je přímo připevněn k povrchu baterie (která může být ve tvaru mince nebo válce) k dosažení detekce teploty v reálném čase. |
|
Monitorování vnitřní teploty: je přímo implantován do baterie pro detekci vnitřní teploty. |
|
| Sledování kmene |
Externí sledování napětí: FBG monitoruje vnější zátěž způsobenou faktory, jako jsou změny teploty, mechanické stlačení nebo nárazy. |
|
Monitorování vnitřního napětí: FBG monitoruje napětí uvnitř baterie během používání nebo během nabíjení a vybíjení. |
|
| Současné sledování teploty a napětí | |
Vylepšete oddělovač baterie pro stabilizaci baterie
Role a designové výzvy separátoru:Separátor je fyzická bariéra v baterii, která zabraňuje přímému kontaktu mezi kladnými a zápornými elektrodami a pojme elektrolyty pro podporu pohybu iontů. Konstrukce potřebuje vyvážit mechanickou odolnost a poréznost nebo přepravní výkon, což z něj činí výzvu pro použití ve velkých bateriových systémech.
Metoda vylepšení:Současný výzkum se zaměřuje především na zlepšování komerčních polyolefinových (PP) membrán, jako je potahování nebo roubování organických/anorganických sloučenin a ošetření povrchu tepelně odolnými sloučeninami. Technologie elektrostatického zvlákňování může být také použita k výrobě nanovlákenných membrán, které mohou zvýšit tepelnou stabilitu. Přidání hydrofilních materiálů může zlepšit výkon a inhibovat růst lithiového dendritu.
Nehořlavý polymerní elektrolyt
Tradiční problémy s elektrolytem a pokyny ke zlepšení:Tradiční elektrolyty mohou za extrémních podmínek zaznamenat tepelný únik, což vede k oxidaci, smíchání materiálu elektrody a dokonce k explozi. Zlepšení vyžaduje komplexní zvážení fyzikálních a chemických vlastností a stability elektrolytů a elektrod. Pevné polymerní elektrolyty (SPE) jsou budoucím trendem, bez úniku, vysokou mechanickou pevností a stabilitou, což může snížit objemovou změnu materiálů elektrod.
| Typy SPE | Charakteristika |
| Polyethylenoxidové SPE |
1. Vyšší vodivost 2. Nastavitelná velikost 3. Nižší náklady 4. Vynikající elektrochemické vlastnosti |
| Polysiloxanové SPE |
1. Lepší tepelná stabilita 2. Nehořlavost 3. Vyšší dielektrické konstanty |
Vlastnosti a retardéry hoření SPE:Různé SPE mají různé výhody, jako je vysoká vodivost a nastavitelná velikost polyethylenoxidových SPE; Polysiloxanové SPE mají dobrou tepelnou stabilitu a jsou nehořlavé. Většina SPE vyžaduje přidání zpomalovačů hoření a anorganické zpomalovače hoření jsou bezpečnější a levnější, což může zlepšit výkon SPE a inhibovat růst lithiového dendritu. Výzkum SPE je však relativně nový a jejich aplikace jsou omezené a komerční elektrolyty nelze nahradit.
| Zpomalovač hoření | Vlastnosti |
| Halogenový zpomalovač hoření |
1. Ultralehký, ultratenký 2. Obtížné zapalování 3. Generované volné radikály zmírňují pyrolýzu 4. Produkt ředí koncentraci hořlavých plynů a kyslíku |
| Organofosforové zpomalovače hoření |
1. Lepší požární bezpečnost 2. Byla zlepšena stabilita cyklu baterií 3. Růst lithiových dendritů byl inhibován 4. Produkty rozkladu se mohou kombinovat s hořlavými volnými radikály |
|
Anorganický plamen na bázi fosforu Retardéry |
1. Nízká toxicita 2. Nízká cena 3. Může způsobit rovnoměrný náboj na povrchu kovového lithia 4. Zabraňte lithiovým dendritům. |
| Anorganický nano-plnivo zpomalující hoření |
1. Usnadnit pohyb iontů lithia a zvýšit iont vodivost. 2. Zabraňte růstu lithiových dendritů 3. Schopnost bránit šíření tepla 4. Zlepšená tepelná stabilita |
Inhibice růstu lithiového dendritu
Tvorba a nebezpečí lithiových dendritů:Lithiové dendrity jsou způsobeny nerovnoměrným ukládáním iontů lithia během migrace kladných a záporných elektrod, což může vést k expanzi elektrody, snížení coulombické účinnosti, snížení kapacity baterie a zhoršení bezpečnostního výkonu, což nakonec vede k selhání baterie.
Způsob inhibice:Inhibice ze dvou směrů: elektrolyt a lithiová kovová záporná elektroda. Přidání přísad do elektrolytů může zlepšit funkčnost vrstvy rozhraní pevného elektrolytu (SEI), jako jsou polysulfidy lithia a dusičnan lithný, které mohou účinně inhibovat tvorbu dendritů lithia; Z pohledu elektrod mohou trojrozměrné lithiové záporné elektrody snížit objemovou změnu záporných elektrod, jako jsou grafenové kompozitní elektrody. Existují také některé nové vrstvy SEI, které mohou účinně inhibovat růst lithiového dendritu.
Metoda povrchové elektrody
Úloha a aplikace povrchové úpravy:Povrchová úprava je hlavní technologií pro ochranu katod a zlepšení tepelné stability katodových materiálů, která může potlačit fázový přechod a zvýšit vodivost materiálu. Použití technologie povrchového lakování v materiálech s nikl-kobalt-manganovými ternárními (NMC) katodovými materiály může zlepšit mikrostrukturu, elektrochemický výkon, tepelnou vodivost, koeficient difúze iontů a tepelnou stabilitu, snížit vnitřní strukturální poškození, zvýšit stabilitu cyklů a zabránit vyluhování kovových iontů.
Specifické metody a účinky:Pokud se k potažení konkrétních materiálů při pokojové teplotě použije syntetická metoda "coating+perfusion" nebo se použije technologie sol gelu k vytvoření jednotného povlaku na povrchu katody při nízké teplotě, lze stabilitu cyklu výrazně zlepšit.
| Aspekt(y) | Zlepšení po nátěru |
| Mikroskopická morfologie a struktura |
1. Kompaktnější povrchová struktura v kladné elektrodě a uspořádanou příhradovou strukturou 2. Zvýšená stabilita. |
| Elektrochemická charakteristika výkonu |
1. Výrazně zlepšená stabilita cyklu 2. Zvýšený multiplikátor materiálu 3. Snížená odolnost materiálu 4. Zlepšení výkonu přenosu elektronů |
|
Tepelná vodivost, koeficient difúze iontů a tepelnou stabilitu |
1. Zlepšení přenosu tepla čistých materiálů 2. Zlepšení chlazení baterie a tepelné bezpečnosti 3. Zlepšení dlouhodobého difuzního výkonu |
3. Shrnutí
Klasifikace metody:Metody pro zlepšení bezpečnosti lithium-iontových baterií lze zhruba rozdělit do dvou kategorií: jednou je sledování parametrů baterie v reálném čase jako systém včasného varování, aby se předešlo bezpečnostním nehodám, a druhou je zlepšení vnitřních materiálů nebo struktury baterie. baterie.
Specifická opatření a účinky
V první kategorii mohou systémy řízení teploty baterií (BTMS) zabránit tepelnému úniku a hybridní BTMS má nejlepší chladicí účinek, ale struktura je složitá a náklady jsou vysoké. Senzory FBG (Fibre Bragg Grating) mohou v reálném čase monitorovat teplotu, namáhání a tlak baterie a mohou rychle identifikovat přehřátí nebo abnormální stavy.
Ve druhé kategorii vědci zlepšili bezpečnost lithium-iontových baterií vylepšením separátorů, elektrolytů, inhibicí růstu lithiového dendritu a ošetřením povrchu katody.