Vprašanja uporabe in varnosti litij-ionskih baterij:Litij-ionske baterije se pogosto uporabljajo zaradi svoje visoke energijske gostote, visoke izhodne moči in visoke povprečne izhodne napetosti. Vendar se nesreče, ki jih povzročijo okvare akumulatorjev, zgodijo vsako leto in malo ljudi se aktivno zaveda varnostnih tveganj. Zato je prepoznavanje in ublažitev varnostnih nevarnosti litijevih baterij ključnega pomena.
Glavna vsebina članka:Najprej je analiziran pojav toplotnega uhajanja in obravnavani so različni sistemi spremljanja. Nato je poudarjena uporaba optičnih Braggovih mrežnih senzorjev (FBG) pri zaznavanju podatkov o bateriji v realnem času. Nazadnje so povzete metode za zmanjšanje varnostnih težav pri litijevih baterijah, vključno z uporabo površinskih premazov elektrod, elektrolitov, separatorjev in zatiranja rasti litijevih dendritov. Te vsebine imajo referenčno vrednost za prihodnje raziskave o varnosti litijevih baterij.
1. Uvod
Poudarjeni so uporaba in varnostna vprašanja litij-ionskih baterij:razvoj obnovljivih virov energije je trend časa, baterije pa so vseprisotne v vsakdanjem življenju. Litij-ionske baterije so zelo razširjene in ključne za razvoj novih energetskih področij. Vendar pa je v zadnjih letih njihov problem pregrevanja vplival na razvoj električnih vozil, varnost baterij pa je skrb vzbujajoča.
Smer raziskave in namen članka:Znanstveniki uporabljajo različne tehnologije za izboljšanje varnosti litij-ionskih baterij. Trenutno je priljubljena smer raziskava spremljanja varnosti pri napovedovanju toplotnega odtekanja baterije in metodah opozarjanja. Namen članka je povzeti ustrezne napredne metode in predstaviti najnovejši napredek raziskav.
2. Aktualne metode za izboljšanje varnostnih faktorjev
Vzrok varnostne nesreče:Pri nepravilni uporabi litijevih baterij (na primer prekomerno polnjenje, pregrevanje, udarec, kratek stik) se temperatura nenormalno dvigne, kar povzroči notranje kemične reakcije ter nastajanje plina in dima. Varnostni ventil se odpre, toplota pa dodatno poveča temperaturo, kar lahko privede do vžiga ali eksplozije.
Načini za izboljšanje varnosti:v glavnem vključujejo spremljanje in izogibanje varnostnim nesrečam, nadgradnjo struktur baterij ali zamenjavo problematičnih komponent.
Posebne metode za izboljšanje varnosti litij-ionskih baterij
Preprečite toplotni beg
Načelo toplotnega uhajanja:Eksotermna reakcija materialov v bateriji povzroči, da se baterija hitro segreje in sprosti kemično energijo. Več dejavnikov lahko povzroči pregrevanje, kot so strukturna deformacija, kratek stik, prekomerno polnjenje, staranje komponent, okvara hladilnega sistema itd. Visoka energijska gostota baterij in uporaba vnetljivih elektrolitov povečuje tveganje toplotnega uhajanja.
Hladilni sistem:Znanstveniki so razvili sisteme za toplotno upravljanje baterij (BTMS), vključno s sistemi za zračno hlajenje in tekočinsko hlajenje, vendar imata oba pomanjkljivosti. Hibridni hladilni sistem združuje prednosti obeh in lahko bolje uravnava in obvladuje odvajanje toplote baterije, posebno izbiro pa je treba določiti glede na situacijo.
| Hladilni sistemi | Prednosti | Slabosti |
|
Zračno hlajen BTMS |
Lahka struktura Nizki stroški razvoja in vzdrževanje. |
1. Nizka toplotna prevodnost in ranljivost za toplotno taljenje. 2. Težka uporaba v električnih vozilih. |
|
Tekočinsko hlajen BTMS |
Visoke toplotne kapacitete in toplota prevodnosti. |
1. Nagnjenost k puščanju tekočine 2. Sistem je težko izboljšati zaradi kompleksne strukture |
| Hibridni BTMS | Boljša učinkovitost hlajenja | 1. Več komponent in kompleksnosti |
Vlakna Bragg rešetka senzor (FBG)
Načelo spremljanja:Preprečite varnostne nevarnosti s spremljanjem več simptomov baterije v realnem času. Sodobne metode pogosto posredno odražajo stanje akumulatorja s spremljanjem toplotnega toka ali zaznavanjem pokanja elektrod, medtem ko lahko senzorji FBG neposredno ali posredno merijo temperaturo in odziv na obremenitev znotraj in zunaj akumulatorja ter preučujejo razgradnjo elektrolita z interakcijo med svetlobo, ki jo prenašajo optična vlakna in okoliško kemično okolje.
Prednosti:Senzorji FBG imajo značilnosti minimalno invazivnih, anti-elektromagnetnih motenj in izolacije. Še vedno lahko natančno zagotovijo podatke pri visoki temperaturi in visokem tlaku. Ko indikatorji dosežejo kritično vrednost, je mogoče delovanje baterije pravočasno prilagoditi ali prekiniti, kar izboljša varnost uporabe baterije.
|
Temperatura Spremljanje |
Nadzor zunanje temperature: Senzor FBG je neposredno pritrjen na površino baterije (ki je lahko v obliki kovanca ali jeklenke), da dosežete zaznavanje temperature v realnem času. |
|
Nadzor notranje temperature: je neposredno vstavljen v baterijo za zaznavanje notranje temperature. |
|
| Spremljanje napetosti |
Nadzor zunanjih obremenitev: FBG spremlja zunanjo obremenitev, ki jo povzročajo dejavniki, kot so temperaturne spremembe, mehansko stiskanje ali udarci. |
|
Nadzor notranjih obremenitev: FBG spremlja obremenitev znotraj baterije med uporabo ali med polnjenjem in praznjenjem. |
|
| Hkratno spremljanje temperature in napetosti | |
Izboljšajte ločilo baterije za stabilizacijo baterije
Vloga in konstrukcijski izzivi separatorja:Separator je fizična pregrada v bateriji, ki preprečuje neposreden stik med pozitivno in negativno elektrodo ter sprejme elektrolite za spodbujanje ionskega gibanja. Zasnova mora uravnotežiti mehansko vzdržljivost in poroznost ali transportno zmogljivost, zaradi česar je izziv za uporabo v velikih baterijskih sistemih.
Metoda izboljšanja:Sedanje raziskave se osredotočajo predvsem na izboljšanje komercialnih poliolefinskih (PP) membran, kot so premazovanje ali cepljenje organskih/anorganskih spojin in obdelava površine s toplotno odpornimi spojinami. Tehnologijo elektropredenja je mogoče uporabiti tudi za izdelavo membran iz nanovlaken, ki lahko povečajo toplotno stabilnost. Dodajanje hidrofilnih materialov lahko izboljša učinkovitost in zavira rast litijevega dendrita.
Negorljiv polimerni elektrolit
Tradicionalne težave z elektroliti in navodila za izboljšanje:Pri tradicionalnih elektrolitih lahko v ekstremnih pogojih pride do toplotnega uhajanja, kar povzroči oksidacijo, mešanje elektrodnega materiala in celo eksplozijo. Izboljšanje zahteva celovito upoštevanje fizikalnih in kemijskih lastnosti ter stabilnosti elektrolitov in elektrod. Trdni polimerni elektroliti (SPE) so prihodnji trend, brez puščanja, visoke mehanske trdnosti in stabilnosti, ki lahko zmanjša spremembo prostornine elektrodnih materialov.
| Vrste SPE | Značilnosti |
| SPE polietilen oksida |
1. Večja prevodnost 2. Nastavljiva velikost 3. Nižji stroški 4. Izjemne elektrokemijske lastnosti |
| Polisiloksan SPE |
1. Boljša toplotna stabilnost 2. Nevnetljivost 3. Višje dielektrične konstante |
Značilnosti in zaviralci gorenja SPE:Različni SPE imajo različne prednosti, kot so visoka prevodnost in nastavljiva velikost polietilenoksidnih SPE; Polisiloksan SPE ima dobro toplotno stabilnost in ni vnetljiv. Večina SPE zahteva dodajanje zaviralcev gorenja, anorganski zaviralci gorenja pa so varnejši in cenejši, kar lahko izboljša učinkovitost SPE in zavira rast litijevega dendrita. Vendar so raziskave SPE sorazmerno nove in njihove uporabe so omejene, komercialnih elektrolitov pa ni mogoče nadomestiti.
| Zaviralec gorenja | Lastnosti |
| Halogenski zaviralec gorenja |
1. Ultra-lahek, Ultra-tanek 2. Težko za vžig 3. Ustvarjeni prosti radikali blažijo pirolizo 4. Izdelek razredči koncentracijo gorljivih plinov in kisika |
| Organofosforni zaviralci gorenja |
1. Boljša požarna varnost 2. Stabilnost cikla baterij je bila izboljšana 3. Rast litijevih dendritov je bila zavrta 4. Produkti razgradnje se lahko združijo z gorljivimi prostimi radikali |
|
Plamen na osnovi anorganskega fosforja zaviralci |
1. Nizka toksičnost 2. Nizka cena 3. Lahko naredi naboj na površini kovinskega litija enoten 4. Preprečite nastanek litijevih dendritov. |
| Anorgansko nano-polnilo, zaviralec gorenja |
1. Olajšajte gibanje litijevih ionov in povečajte ion prevodnost. 2. Izogibajte se rasti litijevih dendritov 3. Sposobnost zaviranja toplotnega širjenja 4. Izboljšana toplotna stabilnost |
Zaviranje rasti litijevega dendrita
Nastanek in nevarnosti litijevih dendritov:Litijevi dendriti nastanejo zaradi neenakomernega odlaganja litijevih ionov med selitvijo pozitivnih in negativnih elektrod, kar lahko povzroči razširitev elektrode, zmanjšano kulonsko učinkovitost, zmanjšano kapaciteto baterije in poslabšanje varnostne učinkovitosti, kar na koncu povzroči okvaro baterije.
Metoda zaviranja:Zavira iz dveh smeri: elektrolit in litijeva kovinska negativna elektroda. Dodajanje aditivov elektrolitom lahko poveča funkcionalnost plasti vmesnika trdnega elektrolita (SEI), kot so litijevi polisulfidi in litijev nitrat, ki lahko učinkovito zavirajo nastajanje litijevih dendritov; Z vidika elektrod lahko tridimenzionalne litijeve negativne elektrode zmanjšajo spremembo prostornine negativnih elektrod, kot so kompozitne elektrode iz grafena. Obstaja tudi nekaj novih plasti SEI, ki lahko učinkovito zavirajo rast litijevega dendrita.
Metoda površinske prevleke z elektrodo
Vloga in uporaba površinskega premaza:Površinski premaz je glavna tehnologija za zaščito katod in izboljšanje toplotne stabilnosti katodnih materialov, ki lahko zavirajo fazni prehod in povečajo prevodnost materiala. Uporaba tehnologije površinske prevleke v nikelj-kobalt-manganovih ternarnih (NMC) katodnih materialih lahko izboljša mikrostrukturo, elektrokemično zmogljivost, toplotno prevodnost, koeficient ionske difuzije in toplotno stabilnost, zmanjša notranje strukturne poškodbe, poveča ciklično stabilnost in prepreči izpiranje kovinskih ionov.
Posebne metode in učinki:Če se uporabi sintetična metoda "prevleka+perfuzija" za prevleko določenih materialov pri sobni temperaturi ali se uporabi sol gel tehnologija za ustvarjanje enakomerne prevleke na površini katode pri nizki temperaturi, se lahko stabilnost cikla bistveno izboljša.
| Vidik(i) | Izboljšanje po premazu |
| Mikroskopska morfologija in struktura |
1. Bolj kompaktna površinska struktura v pozitivni elektrodi in urejena mrežasta struktura 2. Povečana stabilnost. |
| Karakterizacija elektrokemične učinkovitosti |
1. Bistveno izboljšana stabilnost cikla 2. Večji materialni množitelj 3. Zmanjšana odpornost materiala 4. Izboljšana zmogljivost prenosa elektronov |
|
Toplotna prevodnost, ionski difuzijski koeficient in toplotno stabilnost |
1. Izboljšan prenos toplote čistih materialov 2. Hlajenje baterije in toplotna varnost sta izboljšana 3. izboljšana zmogljivost difuzije lon |
3. Povzetek
Razvrstitev metode:Metode za izboljšanje varnosti litij-ionskih baterij lahko v grobem razdelimo v dve kategoriji: ena je spremljanje parametrov baterije v realnem času kot sistem zgodnjega opozarjanja za preprečevanje varnostnih nesreč, druga pa je izboljšanje notranjih materialov ali strukture baterije. baterijo.
Posebni ukrepi in učinki
V prvi kategoriji lahko sistemi za toplotno upravljanje baterije (BTMS) preprečijo toplotno uhajanje, hibridni BTMS pa ima najboljši hladilni učinek, vendar je struktura zapletena in stroški visoki. Senzorji Fiber Bragg Grating (FBG) lahko spremljajo temperaturo, napetost in tlak baterije v realnem času ter lahko hitro prepoznajo pregrevanje ali nenormalne pogoje.
V drugi kategoriji so raziskovalci izboljšali varnost litij-ionskih baterij z izboljšanjem separatorjev, elektrolitov, zaviranjem rasti litijevega dendrita in obdelavo površine katode.