1. Litija jonu akumulatoru termiskā izplūdes procesa mehānisms
Litija baterijas tiek veidotas, litija jonus iestrādājot ogleklī (naftas koksā un grafītā), veidojot negatīvu elektrodu. LixCoO2 parasti izmanto kā pozitīvo elektrodu materiālu, savukārt LixNiO2 un LixMnO4 izmanto arī. LiPF6+dietilēnkarbonāts (EC) + dimetilkarbonāts (DMC) tiek izmantots kā elektrolīts. Galvenie termiskās bēgšanas izraisītāji ir mehāniski bojājumi, pārlādēšana, iekšējie īssavienojumi utt. Dažādu faktoru ietekmē litija jonu akumulatoros esošie aktīvie materiāli tiek pakļauti spēcīgai eksotermiskai reakcijai, un akumulatora iekšējā temperatūra pārsniedz kontrolējamo diapazonu. , kas galu galā noved pie termiskās bēgšanas. Eksotermiskās ķīmiskās reakcijas, kas notiek litija jonu akumulatorā, ietver cietā elektrolīta saskarnes sejas maskas SEI sadalīšanos, reakciju starp negatīvo aktīvo materiālu un elektrolītu, reakciju starp negatīvo aktīvo materiālu un saistvielu un oksidācijas sadalīšanās reakciju. no elektrolīta.
Litija jonu akumulatoru uzlādes un izlādes procesa laikā vinilkarbonāts uz elektrodu aktīvā materiāla cietās fāzes saskarnes reaģēs ar negatīvo elektrodu litiju, veidojot SEI plēves slāni uz grafīta adhēzijas virsmas. Šī membrāna var tieši palēnināt vai pat novērst reakciju starp elektrolītu un aktīvajiem materiāliem abās elektroda pusēs, ievērojami samazinot tā eksotermisko ātrumu un uzlabojot pozitīvo un negatīvo elektrodu materiālu stabilitāti.
Temperatūrai paaugstinoties līdz 90-120 grādiem, SEI plēve sāk sadalīties, kam seko eksotermiska reakcija starp elektrolītu un negatīvā elektroda aktīvo materiālu. Ņemot par piemēru vinilkarbonātu, reakcijas process ir parādīts (1) un (2) vienādojumos:
Eksotermiskās reakcijas laikā akumulatora iekšējā temperatūra pakāpeniski palielinās. Atkarībā no dažādu diafragmu materiālu izmantošanas atšķiras arī to kušanas temperatūra. Parastās polipropilēna diafragmas kušanas temperatūra ir 165 grādi, bet polietilēna materiāla kušanas temperatūra ir 135 grādi. Pēc separatora materiāla kušanas temperatūras sasniegšanas iekšējais separators lokāli saraujas, izraisot tiešu kontaktu starp pozitīvo un negatīvo elektrodu materiāliem akumulatora iekšpusē, kā rezultātā rodas īssavienojums un rodas liels siltuma daudzums. Lielais siltuma daudzums, ko rada īssavienojums, liek diafragmai ātri sarauties, vēl vairāk saasinot eksotermisko reakciju.
Tajā pašā laikā temperatūras diapazonā, kurā SEI plēve sadalās un notiek eksotermiskas reakcijas, litija sāļi arī iziet intensīvas eksotermiskas reakcijas ar elektrolītu. Litija jonu akumulatoriem parastie aktīvo materiālu veidi ir litija heksafluorofosfāts (LiPF6), litija tetrafluorborāts (LiBF4) utt. Litija heksafluorofosfāts augstā temperatūrā sadalās, veidojot PF5, kas tālāk reaģē ar šķīdinātāju, lai uzņemtu CO skābekļa atomus. saista un iziet vardarbīgu eksotermisku reakciju, vēl vairāk paātrinot elektrolīta sadalīšanās. Tajā pašā laikā oksidācijas-reducēšanas reakcija starp litija heksafluorfosfātu un šķīdinātāju atbrīvo arī ļoti toksisku fluorūdeņražskābes gāzi (HF). Specifiskais reakcijas process ir parādīts vienādojumos (3) līdz (5):
Tajā pašā temperatūras diapazonā pats elektrolīts iziet sadalīšanās reakciju un izdala nelielu daudzumu degošas gāzes. Izmantojot ātruma kalorimetriju, lai analizētu termiskā bēguma procesu, tika konstatēts, ka gāzes, kas rodas elektrolītu sadalīšanās rezultātā, galvenokārt sastāv no C2H4, CO un H2. Elektrolīts ātri iztvaiko un palielina akumulatora iekšējo spiedienu. Kad iekšējais spiediens sasniedz spiediena samazināšanas vārsta robežu, tiks izvadīts liels daudzums degošas gāzes, vēl vairāk pastiprinot termiskās izplūdes izplatību. Siltums, ko rada elektrolīta pilnīga sadegšana, ir daudz lielāks par siltumu, kas izdalās sadalīšanās reakcijā. Ņemot vērā etilēna karbonātu (EC) un propilēnkarbonātu (PC) kā piemērus, elektrolīta oksidācijas (6) ~ (7) un nepilnīgās oksidācijas (8) ~ (9) reakcijas procesi ir šādi:
Pakāpeniski paaugstinoties akumulatora iekšējai temperatūrai, pozitīvā elektroda aktīvais materiāls sāk sadalīties. Pamatojoties uz dažādu aktīvo materiālu izmantošanu, atšķiras arī temperatūra, kurā notiek eksotermiskas reakcijas. Pozitīvā elektroda aktīvā materiāla sadalīšanās rezultātā rodas skābeklis, kas pēc tam piedalās reakcijā ar iekšējo aktīvo materiālu, akumulatorā radot lielu daudzumu gāzes. Reakcijas process ir šāds:
Kad temperatūra pārsniedz 136 grādus, saistviela polivinilidēnfluorīds (PVDF) reaģēs ar litiju, veidojot ūdeņraža gāzi. Reakcijas process ir šāds:
Izņemot SEI plēves kušanu un siltuma absorbciju, visas iepriekš minētās ķīmiskās reakcijas ir eksotermiskas reakcijas. Elektrolītu sadalīšanās, separatora, akumulatora aktīvā materiāla un līmvielas siltuma izdalīšanās veido attiecīgi 43,5%, 30,3%, 20,1% un 6,2% no kopējās siltuma izdalīšanās. Reakcija starp akumulatora pozitīvajiem un negatīvajiem aktīvajiem materiāliem un elektrolītu ir lielākais siltuma avots.
2. Litija jonu akumulatoru termiskās noplūdes inducējošie faktori
Litija jonu akumulatoru termiskās noplūdes izraisošos faktorus var iedalīt trīs kategorijās: mehāniska ļaunprātīga izmantošana (adatas dūriens, kompresijas deformācija, ārēja sadursme), elektriska ļaunprātīga izmantošana (pārslodze un pārmērīga izlāde, īssavienojums) un termiskā ļaunprātīga izmantošana (termiskās vadības sistēma). neveiksme). Mehāniska ļaunprātīga izmantošana litija akumulatoros var viegli izraisīt iekšējos īssavienojumus, izraisot termisku aizbēgšanu; Ļaunprātīgi izmantojot elektrību, akumulatoru pārlādēšana un izlāde var izraisīt iekšējas blakusreakcijas, izraisot lokālu akumulatora elementu pārkaršanu un termisku aizbēgšanu; Ārējais īssavienojums ir bīstams akumulatoru ātras izlādes stāvoklis, kad ārkārtīgi liela strāva izraisa strauju uzsilšanu un pat sakausē akumulatora spailes; Ļaunprātīgas termiskās lietošanas apstākļos siltuma pārvaldības sistēmas kļūme bieži izraisa iekšējās diafragmas saraušanos un sadalīšanos, kas galu galā izraisa iekšējus īssavienojumus un termisku aizbēgšanu.
Turklāt paša akumulatora stāvoklis ir arī viens no svarīgiem faktoriem, kas izraisa termisku aizbēgšanu. Palielinoties akumulatora uzlādes un izlādes cikliem un piemaisījumu indukcijai, kas tiek sajaukti dendrīta ražošanas laikā, rodas nevēlamas blakusparādības, piemēram, metāla dendriti, kas viegli caurdur separatoru un izraisa lokālus īssavienojumus akumulatorā.
2.1. Pētījums par akumulatora termisko noplūdi, ko izraisa pārmērīga termiskā izmantošana
Saskaņā ar literatūrā noteikto litija jonu akumulatoru elektroķīmiskās termiskās savienojuma pārlādēšanas siltuma izplūdes modeli, litija jonu akumulatori parasti sāk pašizkarst, kad temperatūra sasniedz 80 grādus. Kad akumulatora siltums pārplūst un to nevar efektīvi atbrīvot, akumulatora termiskā vadība izraisīs nekontrolējamu akumulatora temperatūras paaugstināšanos, kas izkliedēsies no vietējām atsevišķām šūnām uz strāvas akumulatora bloku, izraisot virkni blakus reakciju un termisku aizbēgšanu.
Akumulatora iekšienē spontāni nenotiek termiska ļaunprātīga izmantošana. Bieži vien mehāniskas ļaunprātīgas izmantošanas vai citu iemeslu dēļ akumulatora iekšējā temperatūra paaugstinās līdz slieksnim, un akumulatora lokālās zonas tiek uzkarsētas, izraisot pārmērīgu termisko iedarbību un vēl vairāk iedarbinot temperatūras kontroli un akumulatora pašaizdegšanos.
Tajā pašā laikā termiskā palaišana ir izmantota arī kā izpētes metode eksperimentālu akumulatora darbības traucējumu testēšanai un drošības raksturlielumu noteikšanai akumulatora termiskās darbības laikā. 1999. gadā KITOH et al. veica pētījumus par augstas īpatnējās enerģijas jaudas akumulatoru termiskās noplūdes drošības raksturlielumu uzraudzību, pamatojoties uz ārējām sildīšanas metodēm. Kopš tā laika adiabātiskās enerģijas metode ir plaši izmantota, lai pārbaudītu litija jonu akumulatoru termiskās izplūdes temperatūras slieksni. Pašreizējie pētījumi par termisko ļaunprātīgu izmantošanu galvenokārt balstās uz akumulatoru ārējā starojuma aizdegšanos. Liu Mengmeng izveidoja vairāku endogēnu pārejošu siltuma ģenerēšanas modeli un elektroķīmiskās termiskās savienošanas modeli. Pamatojoties uz radiācijas sildīšanas metodi, tika pētīti akumulatoru drošības raksturlielumi pēc pašaizdegšanās, ko izraisījusi termiskā ļaunprātīga izmantošana. Tika konstatēts, ka akumulatora sadegšanu var iedalīt trīs posmos, proti, iesmidzināšanas sadegšana, stabila sadegšana un sekundārā iesmidzināšanas sadegšana. LI et al. pētīja izlādes strāvas ietekmi uz temperatūru zem termiskās bēgšanas fona, ko izraisa termiskā ļaunprātīga izmantošana. Tika konstatēts, ka, ja izlādes strāva ir nemainīga, kvalitātes zudums, drošības raksturlielumi, termiskā izplūdes sākuma temperatūra un maksimālā temperatūra termiskās izplūdes procesa laikā ir atkarīgi no akumulatora jaudas.
2.2. Pētījums par akumulatora termisko noplūdi, ko izraisa elektriska ļaunprātīga izmantošana
Biežākie akumulatora termiskās noplūdes cēloņi ir pārlādēšana un izlāde, iekšējie īssavienojumi, ārējie īssavienojumi utt.
(1) Pārmaksa un pārmērīga izlāde
Litija jonu akumulatora uzlādes izlādes cikla laikā BMS akumulatora vadības sistēma parasti bloķē uzlādes strāvu, pamatojoties uz uzlādes stāvokli. Ja BMS sistēma neizdodas, akumulatora pārlādēšana var viegli izraisīt nopietnus pašaizdegšanās negadījumus. Sasniedzot SOC slieksni uzlādes laikā, litija metāls pieķersies negatīvā elektroda aktīvā materiāla virsmai, un pievienotais litijs reaģēs ar elektrolītu noteiktā temperatūrā, izdalot lielu daudzumu augstas temperatūras gāzes. Tajā pašā laikā pozitīvā elektroda aktīvais materiāls sāk kust, jo pārmērīga litija noņemšana un liela potenciāla atšķirība ar negatīvo elektrodu. Tiklīdz pozitīvais elektroda potenciāls pārsniedz elektrolīta drošo spriegumu, elektrolīts tiks pakļauts oksidācijas reakcijai ar pozitīvā elektroda aktīvo materiālu. Pārlādēšanas procesa laikā var rasties virkne blakusreakciju, piemēram, omiskā sildīšana un gāzes pārplūde, kas saasina termiskās pārplūdes rašanos.
Gāze, kas izdalās litija jonu akumulatoru pārlādēšanas laikā, galvenokārt sastāv no CO2, CO, H2, CH4, C2H6 un C2H4, un gāzes tilpums un siltums palielinās, palielinoties uzlādes strāvai. Izmantojot paātrinātu kalorimetru un akumulatora cikla analizatoru kopīgai analīzei, eksperiments parāda, ka pārlādēšanas risks, pamatojoties uz pastāvīgu strāvas konstantu spriegumu, ir daudz lielāks nekā pārlādēšanai tieši ar pastāvīgu strāvu. Pamatojoties uz kompozītmateriāla pozitīvā elektroda un grafīta negatīvā elektroda pārlādēšanas veiktspēju dažādās eksperimentālās vidēs, Ren et al. visaptveroši apsvērta uzlādes strāvas, separatora materiāla un siltuma izkliedes sistēmas ietekme. Pētījumā konstatēts, ka NCM akumulatoru pārlādēšanas laikā izdalītais siltuma daudzums nav cieši saistīts ar uzlādes strāvas lielumu. Dažādu separatoru materiālu kušanas temperatūra un akumulatora deformācija un uzbriestība ir galvenie faktori, kas izraisa litija jonu akumulatoru termisko izplūdi. Wang et al. analizēja pārlādētu litija akumulatoru termiskās izplatīšanās ceļu un augstas temperatūras gāzes pārplūdes ceļu un atklāja, ka siltums, ko rada reakcija starp litija nogulsnēšanos un elektrolītu akumulatora pārlādēšanas laikā, veidoja vairāk nekā 43%. Džans et al. pētīja akumulatora jaudas samazināšanās mehānismu, pamatojoties uz pieaugošās kapacitātes diferenciālo spriegumu, un atklāja, ka vienai pārlādei ir maza ietekme uz akumulatora kapacitāti, bet pēc pārlādēšanas, līdz pozitīvā elektroda aktīvais materiāls ir atdalījies, tas nopietni ietekmētu akumulatora termisko stabilitāti.
Pārmērīgas izlādes radītais kaitējums ir daudz mazāks. Agrīnu pārmērīgu izlādi ir grūti izraisīt akumulatora termisku izplūdi, taču tā var ietekmēt akumulatora jaudu. Džou Pings et al. pētīja niķeļa kobalta mangāna NCM trīskāršo litija akumulatoru izlādes raksturlielumus pēc pārmērīgas izlādes. Statiskās izlādes procesa laikā NCM litija akumulatora iekšienē samazinās īssavienojuma pakāpe, palielinās pretestība un samazinās izlādes strāva. Eksperimenti ir parādījuši, ka jo lielāks ir izlādes dziļums, jo lielāka ir atsevišķu elementu vājināšanās pakāpe akumulatora blokā. Ma et al. Litija akumulatoru pārmērīgas izlādes eksperimentā tika konstatēts, ka pārmērīga izlāde nemaina akumulatora aktīvo materiālu struktūru, bet var izraisīt negatīvā elektroda strāvas kolektora izšķīšanu, palielināt SEI plēves biezumu un paātrināt akumulatora novecošanos. Litija jonu akumulatora darbības raksturlielumi pārmērīgas izlādes procesa laikā ir parādīti attēlā.
(2) Ārējais īssavienojums
Ārējie īssavienojumi ir arī svarīgs akumulatoru termiskās noplūdes iemesls. Chen et al. izstrādāja jaunu elektriskās termiskās sakabes modeli, kas balstīts uz siltuma ģenerēšanas, sadales un izplatīšanās modeļu kombināciju. Pētījumi ir parādījuši, ka litija jonu akumulatoru maksimālā temperatūra ārējā īssavienojuma apstākļos pastāv elektroda auss malā. Ma Taixiao et al. atklāja, ka strāvas akumulatoru ārējā īssavienojuma stāvoklī blakusreakciju radītais siltums ir daudz mazāks nekā elektroķīmijas radītais siltums, un elektroķīmijas radītais siltums ir pozitīvi korelēts ar sākotnējo SOC, bet negatīvi korelē ar temperatūras maksimumu. termiskais spriegums.
(3) Iekšējais īssavienojums
Iekšējais īssavienojums, kas rodas akumulatora iekšpusē un ko BMS sistēmai ir grūti noteikt, ir galvenais litija jonu akumulatoru termiskās noplūdes cēlonis. Kad akumulators ir pārlādēts vai pārāk izlādējies, litija dendriti pakāpeniski izaug, lai iekļūtu SEI plēvē, izraisot iekšējus īssavienojumus un strauji izraisot nekontrolējamu temperatūras paaugstināšanos un termisku aizbēgšanu. Turklāt režģa bojājumi vai strāvas kolektora spraugas, ko izraisa rupji akumulatoru ražošanas procesi, var izraisīt arī iekšējus īssavienojumus.
2.3. Pētījums par akumulatora termisko noplūdi, ko izraisa mehāniska ļaunprātīga izmantošana
Lietojot automobiļu jaudas akumulatorus, mehāniskas kļūmes neizbēgami izraisa negadījumi. Ja akumulatoru bloku deformē ārēji spēki, piemēram, caurduršana un saspiešana, tas var izraisīt iekšējas strukturālas izmaiņas un pat izraisīt termisku aizbēgšanu tiešā saskarē starp pozitīvo un negatīvo polu ārkārtējas slodzes apstākļos. Tāpēc ir nepieciešams veikt pētījumus par akumulatoru termisko aizbēgšanu, ko izraisa mehāniska ļaunprātīga izmantošana, tostarp Fan Wenjie un Xu Huiyong ir veikuši pētījumus par termisku aizbēgšanu, ko izraisa mehāniska ļaunprātīga izmantošana, pamatojoties uz galīgo elementu modelēšanu un skaitliskās uzraudzības analīzi.
Wang et al. veica pētījumu par akumulatora šķērsgriezuma izmaiņām pēc sadursmes, pamatojoties uz mīksto bateriju litija jonu akumulatoriem. Punkcijas eksperimentā tika konstatēts, ka caurduršanas procesa laikā akumulatora bloka iekšpusē parādījās liels skaits lokālu deformāciju un bīdes lūzumu slāņu, kā arī strāvas kolektora un pozitīvā elektroda aktīvā materiāla plīsums, kā arī akumulatora iekšējās struktūras pārkārtošanās. iepakojums, ko izraisīja separatora caurduršana, bija galvenie iemesli īssavienojuma termiskai izplūdei akumulatora iekšpusē. Lamb et al. pētīja 18650 cilindrisku litija jonu akumulatoru deformācijas stāvokli punkcijas apstākļos, pamatojoties uz datortomogrāfijas tehnoloģiju. Eksperimentā atklājās, ka infiltrācijas parādība starp pozitīvo un negatīvo elektrodu pastiprina iekšējo īssavienojumu rašanos. Īssavienojuma laikā piestiprinātā alumīnija folija kūst, veidojot lielu skaitu metāla lodīšu caurduršanas plaisā. Li et al. izveidoja galīgo elementu analīzes modeļus dažādiem mehāniskās ļaunprātīgas izmantošanas stāvokļiem, pamatojoties uz punkciju, saspiešanu utt., Un izstrādāja mācīšanās algoritmu akumulatoru termiskā izplūdes procesa prognozēšanai, izmantojot izlietoto bateriju parametrus. Mehāniskās ļaunprātīgas izmantošanas ietekme uz litija jonu akumulatoru drošību tika analizēta, pamatojoties uz astoņu veidu parametriem, tostarp trieciena spēku, sadursmes leņķi un deformācijas diapazonu, ievērojami samazinot skaitļošanas sarežģītību.
Mehāniskā ļaunprātīga izmantošana, kas notiek praktiskos lietojumos, ir sarežģītāka nekā atsevišķi eksperimenti, piemēram, punkcija un saspiešana. Paļaujoties tikai uz eksperimentālu simulāciju, nevar padziļināti izpētīt akumulatora mehāniskās ļaunprātīgas izmantošanas drošības raksturlielumus. Galvenais risinājums ir optimizēt akumulatora uzstādīšanas pozīciju, iestatīt uzticamu BMS sistēmu un optimizēt transportlīdzekļa rāmja dizainu, izstrādājot akumulatora bloku, lai sadursmes gadījumā samazinātu akumulatora deformāciju un kompresiju. .
3. Preventīvie pasākumi un metodes litija jonu akumulatoru termiskai izlaišanai
Ar mērķi bloķēt, aizkavēt un novērst jaudas akumulatoru termisku izplūdi, daudzi zinātnieki ir veikuši pētījumus par akumulatoru bloka siltuma pārvaldību, augstas stiprības akumulatoru bloka struktūras dizainu un citiem aspektiem.
3.1. Atsevišķu akumulatoru drošības dizains
(1) Pētījumi par diafragmas konstrukcijas drošību
Diafragmas drošības uzlabošanas pamatā ir temperatūras paaugstināšana, pie kuras diafragma saraujas un kūst, uzlabojot tās augstas temperatūras izolācijas spēju. Diafragmas augstās temperatūras izolācijas spēja nodrošina, ka tās mikroporas tiek noslēgtas augstas temperatūras vidē, bloķējot litija jonu plūsmu. Plaši izmantotie diafragmas materiāli parasti ir pārklāti ar keramikas pārklājumiem vai citiem materiāliem ar slēgtu šūnu efektu.
(2) Pētījumi par pozitīvo elektrodu materiālu drošību
Visizplatītākie litija jonu pozitīvo elektrodu aktīvie materiāli, ko izmanto jaudas akumulatoru tirgū, parasti ir LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM) utt. Izmantojot materiālus pozitīvā elektroda nosegšanai, lai bloķētu un mazinātu termiskās izplūdes blakusreakcijas, uzlabotu akumulatora darbību. un termiskā stabilitāte, piemēram, ZrO2 un AlF3. Džans et al. izstrādāja slāņainu trīskāršu NCM materiālu, kura pamatā ir atomu koncentrācijas gradienta sadalījums, ar Ni kā kodolu un Mn, kas pārklāj pievienoto daļiņu ārējo slāni. Testi ir parādījuši, ka tas var uzturēt labu ciklu un termisko stabilitāti pat vairākos augstas temperatūras un pārlādēšanas apstākļos.
(3) Pētījumi par negatīvo elektrodu materiālu drošību
Negatīvā elektroda drošības uzlabošana galvenokārt tiek panākta, pārklājot materiālu vai pievienojot elektrolītam piedevas, lai uzlabotu SEI plēves termisko stabilitāti. Xu et al. pievienoja elektrolītam šķidro sakausējumu GaSnIn, lai uzlabotu akumulatora termisko stabilitāti. Eksperiments parāda, ka sagatavotais gradienta SEI slānis ievērojami samazina sprieguma polarizāciju un uzlabo Kulona efektivitāti līdz 99,06%. Zheng et al. sagatavoja īpaši plānu aramīda nanošķiedras (ANF) membrānu, lai nomāktu litija dendrīta augšanu. Eksperimentālajā pārbaudē augsta strāvas blīvuma vidē 50mA/cm2 ANF-Li jauda|LiFePO4 pilna akumulatora uzlāde pēc 1200 cikliem samazinājās līdz 80,2%. Un pirmo reizi tās pētījumi atklāja šķiedru litija nogulsnēšanos, un ar nanomēroga porām sagatavotā ANF membrāna veicināja elektrolītu difūziju, paātrināja litija transportēšanas efektivitāti un novērsa mikrometra izmēra litija dendritu trūkumus, kas iekļūst membrānā.
(4) Pētījumi par elektrolītu drošību
Lielākajā daļā negadījumu, kas rodas no termiskās bēgšanas, ir iesaistīts elektrolīts, un ir ļoti svarīgi uzlabot elektrolītu drošību, lai novērstu termisku aizbēgšanu. Kā piedevas pret pārlādēšanu elektrolītam bieži pievieno liesmas slāpētājus, cietas polimēru vielas vai jonu šķidrumus. Fluorēts etilēna karbonāts (FEC) ir visizplatītākā elektrolītu piedeva, kuras priekšrocība ir atgriezeniskās litija noņemšanas kuloniskās efektivitātes uzlabošana negatīvajā elektrodā, mainot SEI plēves sastāvu. Li et al. izstrādāja divslāņu kristālisku un polimēru cieto elektrolītu starpfāzes SEI plēvi, izmantojot litija difluorborātu (LiDFOB) kā galveno sāli jauktā fosfāta elektrolītā. Liesmas slāpētāja eksperiments parādīja, ka liesmas slāpētāja elektrolīta pašizdzišanas laiks bija 6,1 sekunde, un Li atgriezeniskā efektivitāte bija 98,2%. Pēc 150 uzlādes izlādes cikliem tas joprojām saglabāja 89,7% no akumulatora jaudas.
3.2. Akumulatoru sistēmas drošības aizsardzība un optimizācijas projektēšana
(1) Akumulatora struktūras optimizācijas projektēšana
Akumulatora bloka struktūras dizains un transportlīdzekļa uzstādīšanas pozīcijas optimizācija ir ļoti svarīga drošības uzlabošanai. Chen et al. veica klasifikācijas eksperimentu par termiskā izplūdes diapazona ietekmi, pamatojoties uz 18650 akumulatora izkārtojumu. Eksperiments parāda, ka aizdegšanās laiks ir īsāks, un izkliedēšanas ātrums un diapazons ir lielāks apgabalos ar lielākiem apkures laukumiem. Bet tā eksperimentā tika ņemta vērā tikai jaudas akumulatora moduļa kopējā sildīšana un netika ņemta vērā vietēja pārkaršana, ko izraisīja iekšējie īssavienojumi. Liu Zhenjun et al. optimizēja akumulatora komplekta dizainu, pamatojoties uz strāvas akumulatora bloka trīsdimensiju siltuma izkliedes modeli un veica siltuma izkliedes simulāciju. Eksperiments parādīja, ka optimizētā litija jonu akumulatora maksimālā temperatūra pazeminājās no 46 grādiem līdz 34 grādiem, un temperatūras starpība starp atsevišķām šūnām tika kontrolēta 5 grādu robežās.
(2) Akumulatora siltuma vadības sistēmas projektēšana
Litija jonu akumulatoriem ir augsta termiskā jutība, un akumulatora siltuma pārvaldības sistēmu pamatā ir zemas temperatūras izlādes efektivitātes un augstas temperatūras drošības uzlabošana. Akumulatoru bloku dzesēšanas metodes ietver šķidruma dzesēšanu un gaisa dzesēšanu. Visi Tesla elektriskie transportlīdzekļi izmanto šķidruma dzesēšanas tehnoloģiju, savukārt elektriskie autobusi parasti izmanto gaisa dzesēšanu. Pēdējos gados, piemēram, aerogeli, fāzes maiņas materiāli un hibrīdmateriāli ir izmantoti akumulatoru siltuma pārvaldības sistēmās, pateicoties to lieliskajai siltuma absorbcijas efektivitātei. Wu et al. ir izstrādājuši elastīgu materiālu akumulatora siltuma vadības sistēmai, kuras pamatā ir hidrogēls. Tiek izmantots zemu izmaksu nātrija poliakrilāta materiāls. Tā ārkārtīgi spēcīgo plastiskumu var veidot dažādās formās un sakraut akumulatoru komplektā, kas var ekonomiski realizēt tradicionālās gaisa dzesēšanas un šķidruma dzesēšanas siltuma izkliedes efektu.
(3) Dzesēšanas, dzēšanas, bloķēšanas un gāzes vadīšanas projektēšana akumulatora termiskai izlaišanai
Ja akumulatora termiskā noplūde ir neizbēgama, ir īpaši svarīgi nekavējoties bloķēt un atdzesēt siltuma izplatīšanos un vadīt augstas temperatūras gāzes, lai izvairītos no tiešā tuvumā uzstādīto akumulatoru ietekmes.
Galvenie veidi, kā bloķēt termiskās izplūdes izplatīšanos, ir: uzpildīšana ar liesmu slāpējošiem materiāliem, izolācijas materiālu izmantošana, lai izolētu termiski izplūstošus akumulatorus, vai liesmu un augstas temperatūras gāzu izvadīšana no akumulatora pa ceļiem. Xu et al. izstrādāja augstas temperatūras gāzes siltuma izkliedes cauruli ar taisnstūra šķērsgriezuma formu, kas novietota gar akumulatoru, kā parādīts 5. attēlā. Lai gan tā nevar novērst termisku izplūdi atsevišķos akumulatoros, tā var efektīvi novērst lokālas siltuma izkliedes izplatīšanos akumulatoru bloki. Li Haoliang et al. izstrādāja termiskās izkliedes bloķēšanas sistēmu un integrētu vadības sistēmu, kuras pamatā ir inertās gāzes un jauktie aukstumnesēji. Pamatojoties uz siltuma izkliedes diagrammu un sildīšanas paātrinājumu, bloķēšanas sistēmai tiek noteikts slieksnis. Eksperiments parāda, ka tas var efektīvi bloķēt siltuma izplatīšanos, ja akumulators ir lokāli pārkarsēts.
4. Secinājums
Rakstā ir apkopota literatūra par litija jonu jaudas akumulatoru termiskās izplūdes palaišanas mehānismu, cēloņiem un drošības uzraudzības pārvaldību.
(1) Izpētot termisko bēgšanas mehānismu, tika analizēts litija jonu akumulatoru galveno komponentu termiskās stabilitātes un siltuma izdalīšanās likums, kā arī reakcijas siltuma izdalīšanās procesu principi, piemēram, elektrolītu sadalīšanās, separators, akumulatora aktīvie materiāli un galvenokārt tika izskaidrotas līmes.
(2) Izpētē par termiskās noplūdes iedarbināšanas faktoriem tika klasificēti un apkopoti dažādu palaišanas apstākļu raksturlielumi un cēloņi, proti, mehāniskā ļaunprātīga izmantošana, elektriskā slodze un akumulatora termiskā noplūde, ko izraisa termiskā pārmērīga iedarbība.
(3) Attiecībā uz termiskās noplūdes novēršanu un uzraudzību šajā rakstā ir apskatīti pētījumi, lai uzlabotu litija jonu akumulatoru siltuma izplūdes drošību no trim aspektiem: litija jonu akumulatoru elementu optimizācijas projektēšana, enerģijas akumulatoru sistēmu optimizācija un akumulatoru siltuma vadības un uzraudzības brīdinājuma sistēmas.
Lai gan ir panākts ievērojams progress litija jonu akumulatoru termiskās izplūdes pētījumos, dažās pētniecības jomās joprojām ir nepilnības. Pētījumi par novecošanās ietekmi uz drošību, ko izraisa litija jonu akumulatoru cikla laiku superpozīcija, ir sākušies tikai pēdējos gados, jo īpaši eksperimentālie pētījumi par novecošanās ceļu un termiskās stabilitātes mehānismu joprojām ir salīdzinoši maz. Tajā pašā laikā ir tikai daži eksperimentāli pētījumi par liesmas izplatīšanās prognozēšanu un modelēšanu pēc termiskās bēgšanas, un joprojām trūkst liesmas izplatīšanās skaitliskās simulācijas analīzes. Redzams, ka litija jonu jaudas akumulatoru termiskā bēguma drošības pārvaldība joprojām ir izstrādes stadijā, īpaši brīdinājuma un bloķēšanas virzienā, kas prasa turpmāku izpēti.