Литијумске батерије имају предности преносивости и брзог пуњења, па зашто онда оловне батерије и друге секундарне батерије још увек круже на тржишту?
Поред проблема трошкова и различитих области примене, други разлог је безбедност.
Литијум је најактивнији метал на свету.Пошто су његове хемијске карактеристике превише активне, када је метал литијум изложен ваздуху, он ће имати жестоку реакцију оксидације са кисеоником, па је склон експлозији, сагоревању и другим појавама.Поред тога, редокс реакција ће се такође десити унутар литијумске батерије током пуњења и пражњења.Експлозија и спонтано сагоревање су углавном узроковани акумулацијом, дифузијом и ослобађањем литијумске батерије након загревања.Укратко, литијумске батерије ће генерисати много топлоте током процеса пуњења и пражњења, што ће довести до пораста унутрашње температуре батерије и неуједначене температуре између појединих батерија, што ће узроковати нестабилне перформансе батерије.
Небезбедно понашање литијум-јонске батерије (укључујући прекомерно пуњење и прекомерно пражњење батерије, брзо пуњење и пражњење, кратки спој, услови механичке злоупотребе, топлотни удар на високим температурама, итд.) вероватно ће изазвати опасне споредне реакције унутар батерије и генерисати топлоту, директно оштећујући пасивни филм на површини негативне електроде и позитивне електроде.
Постоји много разлога за изазивање топлотних несрећа литијум-јонских батерија.Према карактеристикама окидања, може се поделити на окидање механичке злоупотребе, покретање електричног злостављања и окидање термичке злоупотребе.Механичка злоупотреба: односи се на акупунктуру, екструзију и удар тешких предмета узрокованих сударом возила;Електрична злоупотреба: генерално узрокована неправилним управљањем напоном или кваром електричне компоненте, укључујући кратак спој, прекомерно пуњење и прекомерно пражњење;Злоупотреба топлоте: узроковано прегревањем изазваним неправилним управљањем температуром.
Ове три методе покретања су међусобно повезане.Механичка злоупотреба ће генерално узроковати деформацију или пуцање дијафрагме батерије, што ће резултирати директним контактом између позитивног и негативног пола батерије и кратким спојем, што резултира електричном злоупотребом;Међутим, под условом злоупотребе електричне енергије, производња топлоте као што је џулова топлота се повећава, што доводи до пораста температуре батерије, што се развија у злоупотребу топлоте, што даље покреће ланчану реакцију генерисања топлоте унутар батерије и коначно доводи до појаве од бекства топлоте батерије.
Термички бијег батерије је узрокован чињеницом да је брзина стварања топлоте батерије много већа од брзине дисипације топлоте, а топлота се акумулира у великој количини, али се не распршује на вријеме.У суштини, „термални бег“ је процес циклуса позитивне повратне информације енергије: пораст температуре ће проузроковати да систем постане врућ, а температура ће порасти након што се систем загреје, што ће заузврат учинити да систем постане топлији.
Процес термичког бежања: када се унутрашња температура батерије повећа, СЕИ филм на површини СЕИ филма се распада под високом температуром, литијум јон уграђен у графит ће реаговати са електролитом и везивом, додатно повећавајући температуру батерије до 150 ℃, а на овој температури ће се десити нова бурна егзотермна реакција.Када температура батерије достигне изнад 200 ℃, материјал катоде се распада, ослобађајући велику количину топлоте и гаса, а батерија почиње да се избочи и непрекидно се загрева.Анода уграђена у литијум почела је да реагује са електролитом на 250-350 ℃.Напуњени материјал катоде почиње да пролази кроз бурну реакцију распадања, а електролит пролази кроз бурну реакцију оксидације, ослобађајући велику количину топлоте, стварајући високу температуру и велику количину гаса, изазивајући сагоревање и експлозију батерије.
Проблем таложења литијум дендрита током прекомерног пуњења: Након што је литијум кобалатна батерија потпуно напуњена, велика количина литијум јона остаје у позитивној електроди.То значи да катода не може да задржи више литијум јона везаних за катоду, али у пренапуњеном стању, вишак литијум јона на катоди ће и даље пливати до катоде.Пошто се не могу у потпуности задржати, метални литијум ће се формирати на катоди.Пошто је овај метални литијум дендритски кристал, назива се дендрит.Ако је дендрит предугачак, лако је пробити дијафрагму, узрокујући унутрашњи кратки спој.Пошто је главна компонента електролита карбонат, његова тачка паљења и тачка кључања су ниске, тако да ће изгорети или чак експлодирати на високој температури.
Ако је у питању полимер литијумска батерија, електролит је колоидни, који је склон жешћем сагоревању.Да би решили овај проблем, научници покушавају да замене безбедније катодне материјале.Материјал литијум-манганат батерије има одређене предности.Може осигурати да литијум јон позитивне електроде може бити у потпуности уграђен у угљеничну рупу негативне електроде под пуним стањем напуњености, уместо да има одређене остатке у позитивној електроди као што је литијум кобалат, што у извесној мери избегава стварање дендрити.Стабилна структура литијум манганата чини његове оксидационе перформансе много нижим од литијум кобалата.Чак и ако постоји спољашњи кратки спој (уместо унутрашњег кратког споја), он у основи може избећи сагоревање и експлозију узроковану таложењем метала литијума.Литијум гвожђе фосфат има већу термичку стабилност и мањи оксидациони капацитет електролита, тако да има високу сигурност.
Слабљење литијум-јонске батерије при старењу се манифестује слабљењем капацитета и повећањем унутрашњег отпора, а њен унутрашњи механизам слабљења старења укључује губитак позитивних и негативних активних материјала и губитак расположивих литијум јона.Када је материјал катоде остарио и распао, а капацитет катоде је недовољан, већа је вероватноћа да ће се појавити ризик од еволуције литијума из катоде.Под условом прекомерног пражњења, потенцијал катоде за литијум ће порасти на изнад 3В, што је више од потенцијала растварања бакра, узрокујући растварање колектора бакра.Растворени јони бакра ће преципитирати на површини катоде и формирати бакарне дендрите.Бакарни дендрити ће проћи кроз дијафрагму, узрокујући унутрашњи кратки спој, што озбиљно утиче на безбедносне перформансе батерије.
Поред тога, отпорност на прекомерно пуњење старих батерија ће се смањити у одређеној мери, углавном због повећања унутрашњег отпора и смањења позитивних и негативних активних супстанци, што резултира повећањем топлоте у џулима током процеса препуњавања батерија.При мањем прекомерном пуњењу, могу се покренути нуспојаве које изазивају термички бег батерија.У погледу термичке стабилности, еволуција литијума из катоде ће довести до оштрог пада термичке стабилности батерије.
Једном речју, безбедносне перформансе старе батерије ће бити знатно смањене, што ће озбиљно угрозити безбедност батерије.Најчешће решење је опремање система за складиштење енергије батерије системом за управљање батеријом (БМС).На пример, батерије 8000 18650 које се користе у Тесла Модел С могу да реализују праћење различитих физичких параметара батерије у реалном времену, да процене статус коришћења батерије и да спроводе онлајн дијагнозу и рано упозорење преко свог система за управљање батеријом.У исто време, такође може да врши контролу пражњења и пре пуњења, управљање балансом батерије и управљање топлотом.
Време поста: 02.12.2022