Litija jonu akumulatoru lietošanas un drošības jautājumi:Litija jonu baterijas tiek plaši izmantotas, jo tām ir augsts enerģijas blīvums, liela izejas jauda un augsts vidējais izejas spriegums. Tomēr katru gadu notiek nelaimes gadījumi, ko izraisa akumulatoru atteices, un daži cilvēki aktīvi izprot drošības riskus. Tāpēc litija bateriju drošības apdraudējumu identificēšana un mazināšana ir ļoti svarīga.
Raksta galvenais saturs:Pirmkārt, tiek analizēts termiskās bēgšanas fenomens un apskatītas dažādas monitoringa sistēmas. Pēc tam tiek uzsvērta šķiedru Bragg režģa sensoru (FBG) pielietošana akumulatora datu noteikšanā reāllaikā. Visbeidzot, ir apkopotas metodes drošības problēmu mazināšanai litija akumulatoros, tostarp elektrodu virsmas pārklājumu, elektrolītu, separatoru izmantošana un litija dendrīta augšanas nomākšana. Šim saturam ir atsauces vērtība turpmākiem litija bateriju drošības pētījumiem.
1. Ievads
Litija jonu akumulatoru lietošanas un drošības jautājumi ir izcelti:atjaunojamās enerģijas attīstība ir laika tendence, un baterijas ir visuresošas ikdienas dzīvē. Litija jonu baterijas tiek plaši izmantotas un ir ļoti svarīgas jaunu enerģijas jomu attīstībai. Tomēr pēdējos gados to pārkaršanas problēma ir ietekmējusi elektrisko transportlīdzekļu attīstību, un bažas rada akumulatoru drošība.
Pētījuma virziens un raksta mērķis:Zinātnieki izmanto dažādas tehnoloģijas, lai uzlabotu litija jonu akumulatoru drošību. Pašlaik populārs virziens ir drošības uzraudzības pētījumi par akumulatoru siltuma bēgšanas prognozēšanas un brīdināšanas metodēm. Raksta mērķis ir apkopot attiecīgās progresīvās metodes un iepazīstināt ar jaunākajiem pētniecības sasniegumiem.
2. Pašreizējās metodes drošības faktoru uzlabošanai
Drošības negadījuma iemesls:Ja litija baterijas tiek nepareizi lietotas (piemēram, pārlādēšana, pārkaršana, trieciens, īssavienojums), temperatūra nenormāli paaugstinās, izraisot iekšējas ķīmiskas reakcijas un izraisot gāzi un dūmus. Atveras drošības vārsts, un karstums vēl vairāk paaugstina temperatūru, kas var izraisīt aizdegšanos vai eksploziju.
Drošības uzlabošanas veidi:galvenokārt ietver drošības negadījumu uzraudzību un izvairīšanos no tiem, akumulatoru konstrukciju modernizāciju vai problemātisko komponentu nomaiņu.
Īpašas metodes litija jonu akumulatoru drošības uzlabošanai
Novērst termisko bēgšanu
Termiskās palaišanas princips:Akumulatora iekšienē esošo materiālu eksotermiskā reakcija izraisa akumulatora ātru uzsilšanu un ķīmiskās enerģijas izdalīšanos. Pārkaršanu var izraisīt vairāki faktori, piemēram, strukturālas deformācijas, īssavienojums, pārlādēšana, detaļu novecošanās, dzesēšanas sistēmas kļūme utt. Lielais akumulatoru enerģijas blīvums un uzliesmojošu elektrolītu izmantošana palielina termiskās aizdegšanās risku.
Dzesēšanas sistēma:Zinātnieki ir izstrādājuši akumulatoru siltuma pārvaldības sistēmas (BTMS), tostarp gaisa dzesēšanas un šķidruma dzesēšanas sistēmas, taču abām ir trūkumi. Hibrīda dzesēšanas sistēma apvieno abu priekšrocības un var labāk regulēt un pārvaldīt akumulatora siltuma izkliedi, un konkrētā izvēle ir jānosaka atbilstoši situācijai.
| Dzesēšanas sistēmas | Priekšrocības | Trūkumi |
|
Gaisa dzesēšana BTMS |
Viegls pēc struktūras Zemas izmaksas attīstībā un apkope. |
1. Zema siltumvadītspēja un neaizsargātība pret termiskā kausēšana. 2. Grūti lietojams elektriskajos transportlīdzekļos. |
|
Atdzesēts ar šķidrumu BTMS |
Augstas siltuma jaudas un siltuma vadītspējas. |
1. Nosliece uz šķidruma noplūdi 2. Grūti pilnveidot sistēmu sarežģītās struktūras dēļ |
| Hibrīds BTMS | Labāka dzesēšanas efektivitāte | 1. Vairāk komponentu un sarežģītības |
Fiber Bragg režģa sensors (FBG)
Uzraudzības princips:Novērsiet drošības apdraudējumus, reāllaikā pārraugot vairākus akumulatora simptomus. Mūsdienu metodes bieži vien netieši atspoguļo akumulatora stāvokli, uzraugot siltuma plūsmu vai atklājot elektrodu plaisāšanu, savukārt FBG sensori var tieši vai netieši izmērīt temperatūru un deformācijas reakciju akumulatorā un ārpus tā, kā arī pētīt elektrolītu degradāciju, mijiedarbojoties starp gaismu, ko nes optiskās šķiedras un apkārtējā ķīmiskā vide.
Priekšrocības:FBG sensoriem ir minimāli invazīvu, pret elektromagnētisko traucējumu un izolācijas īpašības. Tie joprojām var precīzi sniegt datus augstā temperatūrā un augsta spiediena apstākļos. Kad indikatori sasniedz kritisko vērtību, akumulatora darbību var noregulēt vai laicīgi pārtraukt, tādējādi uzlabojot akumulatora lietošanas drošību.
|
Temperatūra Uzraudzība |
Ārējās temperatūras uzraudzība: FBG sensors ir tieši piestiprināts pie akumulatora virsmas (kas var būt formā monētas vai cilindra), lai panāktu reāllaika temperatūras noteikšanu. |
|
Iekšējās temperatūras kontrole: ir tieši implantēts akumulatorā iekšējās temperatūras noteikšanai. |
|
| Celmu uzraudzība |
Ārējā deformācijas uzraudzība: FBG uzrauga ārējo spriedzi, ko izraisa tādi faktori kā temperatūras izmaiņas, mehāniska saspiešana vai triecieni. |
|
Iekšējās deformācijas uzraudzība: FBG uzrauga spriedzi akumulatora iekšpusē lietošanas vai uzlādes un izlādes laikā. |
|
| Vienlaicīga temperatūras un deformācijas uzraudzība | |
Uzlabojiet akumulatora atdalītāju, lai stabilizētu akumulatoru
Atdalītāja loma un dizaina izaicinājumi:Atdalītājs ir fiziska barjera akumulatorā, kas novērš tiešu kontaktu starp pozitīvo un negatīvo elektrodu un uzņem elektrolītus, lai veicinātu jonu kustību. Dizainam ir jāsabalansē mehāniskā izturība un porainība vai transportēšanas veiktspēja, padarot to par izaicinājumu izmantošanai liela mēroga akumulatoru sistēmās.
Uzlabošanas metode:Pašreizējie pētījumi galvenokārt ir vērsti uz komerciālo poliolefīna (PP) membrānu uzlabošanu, piemēram, organisko/neorganisko savienojumu pārklāšanu vai potēšanu, un virsmas apstrādi ar karstumizturīgiem savienojumiem. Elektrovērpšanas tehnoloģiju var izmantot arī nanošķiedru membrānu ražošanai, kas var uzlabot termisko stabilitāti. Hidrofilu materiālu pievienošana var uzlabot veiktspēju un kavēt litija dendrīta augšanu.
Nedegošs polimēru elektrolīts
Tradicionālās elektrolītu problēmas un uzlabošanas virzieni:Tradicionālie elektrolīti ekstremālos apstākļos var izplūst termiski, izraisot oksidēšanos, elektrodu materiālu sajaukšanos un pat sprādzienu. Uzlabošanai ir nepieciešams visaptveroši apsvērt elektrolītu un elektrodu fizikālās un ķīmiskās īpašības un stabilitāti. Cietie polimēru elektrolīti (SPE) ir nākotnes tendence, kam nav noplūdes, augsta mehāniskā izturība un stabilitāte, kas var samazināt elektrodu materiālu tilpuma izmaiņas.
| SPE veidi | Raksturlielumi |
| Polietilēna oksīda SPE |
1. Augstāka vadītspēja 2. Regulējams izmērs 3. Zemākas izmaksas 4. Izcilas elektroķīmiskās īpašības |
| Polisiloksāna SPE |
1. Labāka termiskā stabilitāte 2. Neuzliesmojamība 3. Augstākas dielektriskās konstantes |
SPE raksturlielumi un liesmas slāpētāji:Dažādiem SPE ir dažādas priekšrocības, piemēram, augsta vadītspēja un regulējams izmērs polietilēna oksīda SPE; Polisiloksāna SPE ir laba termiskā stabilitāte un tie nav uzliesmojoši. Lielākajai daļai SPE ir jāpievieno liesmas slāpētāji, un neorganiskie liesmas slāpētāji ir drošāki un lētāki, kas var uzlabot SPE veiktspēju un kavēt litija dendrīta augšanu. Tomēr SPE pētījumi ir salīdzinoši jauni, un to pielietojums ir ierobežots, un komerciālos elektrolītus nevar aizstāt.
| Antipirēns | Īpašības |
| Halogēna liesmas slāpētājs |
1. Īpaši viegls, īpaši plāns 2. Grūti aizdegties 3. Radītie brīvie radikāļi mazina pirolīzi 4. Produkts atšķaida degošu gāzu un skābekļa koncentrāciju |
| Organofosforu liesmas slāpētāji |
1. Labāka ugunsdrošība 2. Uzlabota akumulatoru cikla stabilitāte 3. Litija dendrītu augšana tika kavēta 4. Sadalīšanās produkti var apvienoties ar degošiem brīvajiem radikāļiem |
|
Neorganiskā fosfora bāzes liesma Palēninātāji |
1. Zema toksicitāte 2. Zema cena 3. Var padarīt lādiņu uz metāla litija virsmas vienmērīgu 4. Novērst litija dendrītu veidošanos. |
| Neorganiska nanopildviela liesmas slāpētājs |
1. Veiciniet litija jonu kustību un uzlabojiet jonu vadītspēja. 2. Izvairieties no litija dendrītu augšanas 3. Spēja kavēt siltuma izplatīšanos 4. Uzlabota termiskā stabilitāte |
Litija dendrīta augšanas kavēšana
Litija dendrītu veidošanās un bīstamība:Litija dendrītus izraisa nevienmērīga litija jonu nogulsnēšanās pozitīvo un negatīvo elektrodu migrācijas laikā, kas var izraisīt elektrodu izplešanos, samazinātu kulonu efektivitāti, samazinātu akumulatora ietilpību un drošības darbības pasliktināšanos, kas galu galā izraisa akumulatora atteici.
Inhibīcijas metode:Inhibē no diviem virzieniem: elektrolīta un litija metāla negatīvā elektroda. Piedevu pievienošana elektrolītiem var uzlabot cietā elektrolīta saskarnes (SEI) slāņa funkcionalitāti, piemēram, litija polisulfīdus un litija nitrātu, kas var efektīvi kavēt litija dendrītu veidošanos; No elektrodu viedokļa trīsdimensiju litija negatīvie elektrodi var samazināt negatīvo elektrodu, piemēram, grafēna kompozītmateriālu elektrodu, tilpuma izmaiņas. Ir arī daži jauni SEI slāņi, kas var efektīvi kavēt litija dendrīta augšanu.
Virsmas pārklājuma elektrodu metode
Virsmas pārklājuma loma un pielietojums:Virsmas pārklājums ir galvenā katodu aizsardzības un katoda materiālu termiskās stabilitātes uzlabošanas tehnoloģija, kas var nomākt fāzes pāreju un uzlabot materiāla vadītspēju. Virsmas pārklājuma tehnoloģijas izmantošana niķeļa kobalta mangāna trīskāršā (NMC) katoda materiālos var uzlabot mikrostruktūru, elektroķīmisko veiktspēju, siltumvadītspēju, jonu difūzijas koeficientu un termisko stabilitāti, samazināt iekšējos strukturālos bojājumus, palielināt cikla stabilitāti un novērst metāla jonu izskalošanos.
Īpašas metodes un efekti:Ja konkrētu materiālu pārklāšanai istabas temperatūrā izmanto sintētisko metodi "pārklājums+perfūzija" vai sola gēla tehnoloģiju, lai zemā temperatūrā izveidotu vienmērīgu pārklājumu uz katoda virsmas, cikla stabilitāti var būtiski uzlabot.
| Aspekts(-i) | Uzlabojums pēc pārklājuma |
| Mikroskopiskā morfoloģija un struktūra |
1. Kompaktāka virsmas struktūra pozitīvajā elektrodā un sakārtota režģa struktūra 2. Paaugstināta stabilitāte. |
| Elektroķīmiskās veiktspējas raksturojums |
1. Būtiski uzlabota cikla stabilitāte 2. Palielināts materiāla reizinātājs 3. Materiāla pretestība samazināta 4. Uzlabota elektronu transportēšanas veiktspēja |
|
Siltumvadītspēja, jonu difūzijas koeficients un termiskā stabilitāte |
1. Uzlabota tīru materiālu siltuma pārneses veiktspēja 2. Uzlabota akumulatora dzesēšana un siltuma drošības rādītāji 3. Uzlabota difūzijas veiktspēja |
3. Kopsavilkums
Metodes klasifikācija:Metodes, lai uzlabotu litija jonu akumulatoru drošību, var aptuveni iedalīt divās kategorijās: viena ir akumulatora parametru uzraudzība reāllaikā kā agrīnās brīdināšanas sistēma, lai novērstu drošības negadījumus, un otra ir uzlabot akumulatoru iekšējos materiālus vai struktūru. akumulatoru.
Īpaši pasākumi un ietekme
Pirmajā kategorijā akumulatoru siltuma pārvaldības sistēmas (BTMS) var novērst siltuma pārtraukšanu, un hibrīdajam BTMS ir vislabākais dzesēšanas efekts, taču struktūra ir sarežģīta un izmaksas ir augstas. Fiber Bragg režģa (FBG) sensori var reāllaikā uzraudzīt akumulatora temperatūru, deformāciju un spiedienu, kā arī ātri noteikt pārkaršanu vai neparastus apstākļus.
Otrajā kategorijā pētnieki ir uzlabojuši litija jonu akumulatoru drošību, uzlabojot separatorus, elektrolītus, kavējot litija dendrīta augšanu un apstrādājot katoda virsmu.