Litium-akun turvallisuus

Litiumakkujen etuna on siirrettävyys ja nopea lataus, joten miksi lyijyakkuja ja muita toisioakkuja on edelleen markkinoilla?
Kustannusongelmien ja erilaisten sovellusalueiden lisäksi toinen syy on turvallisuus.
Litium on maailman aktiivisin metalli.Koska sen kemialliset ominaisuudet ovat liian aktiivisia, litiummetalli altistuu ilmalle, sillä on kiivas hapettumisreaktio hapen kanssa, joten se on altis räjähdykselle, palamiselle ja muille ilmiöille.Lisäksi redox-reaktio tapahtuu myös litiumakun sisällä latauksen ja purkamisen aikana.Räjähdys ja itsestään syttyminen johtuvat pääasiassa litiumakun kertymisestä, diffuusiosta ja vapautumisesta kuumentamisen jälkeen.Lyhyesti sanottuna litiumakut tuottavat paljon lämpöä lataus- ja purkuprosessin aikana, mikä johtaa akun sisäisen lämpötilan nousuun ja yksittäisten akkujen väliseen epätasaiseen lämpötilaan, mikä aiheuttaa akun epävakaa suorituskykyä.
Lämpötilasta poistuvan litiumioniakun vaaralliset käytökset (mukaan lukien akun yli- ja purkautuminen, nopea lataus ja purkautuminen, oikosulku, mekaaniset väärinkäytökset, korkean lämpötilan lämpöshokki jne.) voivat aiheuttaa vaarallisia sivureaktioita akun sisällä ja tuottaa lämpöä, vahingoittaa suoraan negatiivisen elektrodin ja positiivisen elektrodin pinnalla olevaa passiivikalvoa.
Litium-ioni-akkujen lämpökarkaistujen onnettomuuksien laukaisemiseen on monia syitä.Liipaisun ominaisuuksien mukaan se voidaan jakaa mekaaniseen väärinkäytön laukaisuun, sähköisen väärinkäytön liipaisuun ja lämpökäytön liipaisuun.Mekaaninen väärinkäyttö: viittaa akupunktioon, puristamiseen ja raskaiden esineiden törmäykseen, joka johtuu ajoneuvon törmäyksestä;Sähkön väärinkäyttö: johtuu yleensä väärästä jännitteenhallinnasta tai sähkökomponenttien viasta, mukaan lukien oikosulku, ylilataus ja ylipurkaus;Lämmön väärinkäyttö: johtuu ylikuumenemisesta, joka johtuu väärästä lämpötilan hallinnasta.

Nämä kolme laukaisumenetelmää liittyvät toisiinsa.Mekaaninen väärinkäyttö aiheuttaa yleensä akun kalvon muodonmuutoksia tai murtumia, mikä johtaa akun positiivisen ja negatiivisen navan väliseen suoraan kosketukseen ja oikosulkuun, mikä johtaa sähkön väärinkäyttöön.Sähkön väärinkäytön olosuhteissa lämmöntuotanto, kuten Joule-lämpö, ​​kuitenkin lisääntyy, mikä aiheuttaa akun lämpötilan nousun, joka kehittyy lämmön väärinkäytöksi, mikä laukaisee edelleen ketjutyyppisen lämmöntuotannon sivureaktion akun sisällä ja lopulta johtaa tapahtumaan. akun lämpö karkaa.
Akun lämmön karkaaminen johtuu siitä, että akun lämmöntuottonopeus on paljon suurempi kuin lämmönpoistonopeus, ja lämpöä kertyy suuri määrä, mutta se ei hajoa ajoissa.Pohjimmiltaan "lämpöpalautuminen" on positiivisen energian takaisinkytkentäprosessi: lämpötilan nousu saa järjestelmän kuumenemaan ja lämpötila nousee järjestelmän kuumenemisen jälkeen, mikä puolestaan ​​tekee järjestelmästä kuumemman.
Lämpöpakoprosessi: kun akun sisälämpötila nousee, SEI-kalvon pinnalla oleva SEI-kalvo hajoaa korkeassa lämpötilassa, grafiittiin upotettu litiumioni reagoi elektrolyytin ja sideaineen kanssa nostaen akun lämpötilaa entisestään. 150 ℃, ja uusi raju eksoterminen reaktio tapahtuu tässä lämpötilassa.Kun akun lämpötila nousee yli 200 ℃, katodimateriaali hajoaa vapauttaen suuren määrän lämpöä ja kaasua, ja akku alkaa pullistua ja kuumenee jatkuvasti.Litiumiin upotettu anodi alkoi reagoida elektrolyytin kanssa lämpötilassa 250-350 ℃.Varautuneessa katodimateriaalissa alkaa raju hajoamisreaktio, ja elektrolyytissä tapahtuu voimakas hapetusreaktio, jolloin vapautuu suuri määrä lämpöä, muodostuu korkea lämpötila ja suuri määrä kaasua, mikä aiheuttaa akun palamisen ja räjähdyksen.
Litiumdendriitin saostumisen ongelma ylilatauksen aikana: Kun litiumkobalaattiakku on ladattu täyteen, suuri määrä litiumioneja jää positiiviseen elektrodiin.Toisin sanoen katodi ei voi pitää enemmän litiumioneja kiinnitettynä katodiin, mutta ylivaratussa tilassa katodilla olevat ylimääräiset litiumionit uivat silti katodille.Koska niitä ei voida sulkea kokonaan, katodille muodostuu metallilitiumia.Koska tämä metallilitium on dendriittikide, sitä kutsutaan dendriitiksi.Jos dendriitti on liian pitkä, kalvo on helppo puhkaista, mikä aiheuttaa sisäisen oikosulun.Koska elektrolyytin pääkomponentti on karbonaatti, sen syttymispiste ja kiehumispiste ovat alhaiset, joten se palaa tai jopa räjähtää korkeassa lämpötilassa.

Jos se on polymeerilitiumparisto, elektrolyytti on kolloidista, joka on altis rajumpaan palamiseen.Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat yrittävät korvata turvallisempia katodimateriaaleja.Litiummanganaattiakun materiaalilla on tiettyjä etuja.Se voi varmistaa, että positiivisen elektrodin litiumioni voidaan upottaa kokonaan negatiivisen elektrodin hiiliaukkoon täyteen latautuneessa tilassa sen sijaan, että positiivisessa elektrodissa olisi tiettyjä jäämiä, kuten litiumkobalaattia, mikä jossain määrin välttää dendriitit.Litiummanganaatin vakaa rakenne tekee sen hapettumiskyvystä paljon alhaisemman kuin litiumkobalaatin.Vaikka ulkoinen oikosulku olisikin olemassa (sisäisen oikosulun sijaan), se voi periaatteessa välttää litiummetallisaostuman aiheuttaman palamisen ja räjähdyksen.Litiumrautafosfaatilla on korkeampi lämpöstabiilisuus ja pienempi elektrolyytin hapetuskyky, joten sillä on korkea turvallisuus.
Litiumioniakun ikääntymisen vaimennus ilmenee kapasiteetin heikkenemisenä ja sisäisen vastuksen kasvuna, ja sen sisäiseen ikääntymisen vaimennusmekanismiin kuuluu positiivisten ja negatiivisten aktiivisten materiaalien häviäminen sekä saatavilla olevien litiumionien häviäminen.Kun katodimateriaali on ikääntynyt ja rappeutunut ja katodin kapasiteetti on riittämätön, litiumin kehittymisen vaara katodista on todennäköisempi.Ylipurkauksen olosuhteissa katodin potentiaali litiumiin nousee yli 3 V:iin, mikä on suurempi kuin kuparin liukenemispotentiaali, mikä aiheuttaa kuparin kerääjän liukenemisen.Liuenneet kupari-ionit saostuvat katodin pinnalle ja muodostavat kuparidendriittejä.Kuparidendriitit kulkeutuvat kalvon läpi aiheuttaen sisäisen oikosulun, mikä vaikuttaa vakavasti akun turvallisuuteen.
Lisäksi ikääntyvien akkujen ylilatausvastus laskee jossain määrin pääasiassa sisäisen resistanssin lisääntymisen sekä positiivisten ja negatiivisten aktiivisten aineiden vähenemisen vuoksi, mikä johtaa joulen lämmön lisääntymiseen akkujen ylilatausprosessin aikana.Pienempi ylilataus voi laukaista sivureaktioita, jotka aiheuttavat akkujen lämpökarkaamisen.Mitä tulee lämpöstabiilisuuteen, litiumin kehittyminen katodista johtaa akun lämpöstabiilisuuden jyrkkään laskuun.
Sanalla sanoen ikääntyneen akun turvallisuussuorituskyky heikkenee huomattavasti, mikä vaarantaa vakavasti akun turvallisuuden.Yleisin ratkaisu on varustaa akkuenergian varastointijärjestelmä akunhallintajärjestelmällä (BMS).Esimerkiksi Tesla Model S:ssä käytetyt 8000 18650 akkua voivat toteuttaa akun eri fyysisten parametrien reaaliaikaisen seurannan, arvioida akun käyttötilaa ja tehdä online-diagnoosia ja varhaista varoitusta akunhallintajärjestelmänsä kautta.Samalla se voi myös suorittaa purkauksen ja esilatauksen hallinnan, akun tasapainon hallinnan ja lämmönhallinnan.