Forstå lithiumbatterisikkerhedsteknologi fra tre aspekter: materiale, design og proces
Farer ved lithium-ion-batterier
Lithium-ion-batterier er en potentielt farlig kemisk strømkilde på grund af deres kemiske egenskaber og systemsammensætning.
(1). Høj kemisk aktivitet
Lithium er et hovedgruppe I-grundstof i den anden periode af grundstoffernes periodiske system og har ekstremt aktive kemiske egenskaber.
(2). Høj energitæthed
Lithium-ion-batterier har ekstremt høj specifik energi (Større end eller lig med 140 Wh/kg), flere gange højere end sekundære batterier såsom nikkel-cadmium og nikkel-brint. En termisk løbsk reaktion frigiver varme og kan føre til usikker adfærd.
(3). Brug af et organisk elektrolytsystem
Det organiske opløsningsmiddel i det organiske elektrolytsystem er kulbrinte, som har en lav nedbrydningsspænding og er tilbøjelig til oxidation. Opløsningsmidlet er også brandfarligt; batteriet vil antænde, brænde eller eksplodere, hvis der opstår lækage.
(4). Høj sandsynlighed for bivirkninger
Ved normal brug af lithium-ion-batterier udføres internt kemiske positive reaktioner, hvor elektrisk og kemisk energi omdannes til hinanden. Men under visse forhold, såsom overopladning, overafladning eller overstrømsdrift, er det let at forårsage kemiske sidereaktioner inde i batteriet. Når denne bireaktion intensiveres, vil det alvorligt påvirke batteriets ydeevne og levetid. En stor mængde gas kan blive produceret, hvilket får trykket inde i batteriet til at stige hurtigt og derefter eksplodere og antænde, hvilket forårsager sikkerhedsproblemer.
(5). Strukturen af elektrodematerialet er ustabil
Overopladningsreaktionen af lithium-ion-batterier vil ændre strukturen af katodematerialet, hvilket får materialet til at have en stærk oxidationseffekt og få opløsningsmidlet i elektrolytten til at undergå kraftig oxidation. denne effekt er irreversibel, og hvis varmen forårsaget af reaktionen akkumuleres, er der risiko for termisk løb.
Analyse af årsagerne til sikkerhedsproblemer i lithium-ion batteriprodukter
Efter 30 års industriel udvikling af lithium-ion batteriprodukter har sikkerhedsteknologien gjort store fremskridt, der effektivt kontrollerer forekomsten af sidereaktioner i batteriet og sikrer batterisikkerhed. Men da lithium-ion-batterier bruges mere og mere udbredt, og deres energitæthed bliver højere og højere, er hændelser som eksplosioner og skader eller produkttilbagekaldelser på grund af sikkerhedsrisici forekommet hyppigt i de senere år. Vi opsummerer hovedårsagerne til at forårsage sikkerhedsproblemer i lithium-ion batteriprodukter som følger:
1. Problemer med batterikernemateriale
De anvendte materialer i batterikernen omfatter positivt aktivt materiale, negativt aktivt materiale, separator, elektrolyt og skal osv. Valget af materialer og matchningen af det sammensatte system bestemmer batterikernens sikkerhedsydelse. Ved valg af positive og negative aktive materialer og separatormaterialer foretog producenten ikke en vis vurdering af egenskaberne og matchningen af råmaterialerne, hvilket resulterede i iboende mangler i battericellernes sikkerhed.
2. Produktionsproces spørgsmål
Råmaterialerne i battericeller er ikke strengt testet. Produktionsmiljøet er dårligt, hvilket fører til blanding af urenheder i produktionen, hvilket ikke kun har en stor ulempe for batteriets kapacitet, men også har stor indflydelse på batteriets sikkerhed; desuden, hvis for meget blandes i elektrolytten, kan fugt forårsage bivirkninger, der øger batteriets indre tryk, hvilket påvirker sikkerheden; på grund af begrænsninger i produktionsprocesniveauet kan produktet ikke opnå god konsistens under produktionsprocessen af battericellerne, såsom dårlig fladhed af elektrodebasen, problemer som fald af elektrodeaktive materialer, blanding af andre urenheder i aktive materialer , svag fligsvejsning, ustabil svejsetemperatur, grater på kanterne af polstykker og manglende brug af isoleringstape på nøgledele kan alle påvirke batterikernens sikkerhed. negativ effekt.
3. Designdefekter i batterikernen og reduceret sikkerhedsydelse
Med hensyn til strukturelt design bliver mange nøglepunkter, der har en indvirkning på sikkerheden, ikke taget alvorligt af producenterne, såsom fraværet af isoleringstape i nøgledele, separatordesignet efterlader ingen margen eller utilstrækkelig margen, den positive og negative elektrodekapacitet forholdsdesignet er urimeligt, og den positive og negative elektrodeaktivitet. Materialearealforholdsdesignet er urimeligt, fanelængdedesignet er urimeligt osv., hvilket kan udgøre skjulte farer for batteriets sikkerhed. Derudover forsøger nogle batteriproducenter i produktionsprocessen af battericeller for at spare omkostninger og forbedre ydeevnen at spare og komprimere råmaterialer, såsom reduktion af membranområdet, udtynding af kobberfolie og aluminiumsfolie og ikke at bruge trykaflastningsventiler og isoleringsbånd osv., vil disse reducere batteriets sikkerhed.
4. Energitætheden er for høj
Markedet forfølger batteriprodukter med højere kapacitet. For at øge produktets konkurrenceevne fortsætter producenterne med at øge den volumenspecifikke energi af lithium-ion-batterier, hvilket i høj grad øger risikoen for batterier.
Sikkerhedsteknologi
Selvom lithium-ion-batterier har mange skjulte farer, kan forekomsten af bivirkninger og voldsomme reaktioner i cellerne kontrolleres effektivt for at sikre deres sikkerhed under særlige brugsforhold og ved at vedtage visse foranstaltninger. Det følgende introducerer kort flere almindeligt anvendte sikkerhedsteknologier til lithium-ion-batterier.
Vælg råvarer med en højere sikkerhedsfaktor
Vælg positive og negative aktive materialer, separatormaterialer og elektrolytter med højere sikkerhedsfaktorer.
a) Valg af katodematerialer
Sikkerheden af katodematerialer er hovedsageligt baseret på følgende tre aspekter:
1. Materialets termodynamiske stabilitet;
2. Materialers kemiske stabilitet;
3. Materialers fysiske egenskaber.
b) Valg af membranmaterialer
Separatorens hovedfunktion er at adskille batteriets positive og negative elektroder for at forhindre, at de positive og negative elektroder kommer i kontakt og forårsager kortslutning. Samtidig har den evnen til at lade elektrolytioner passere igennem, det vil sige, at den har elektronisk isolering og ionledningsevne. Følgende punkter skal bemærkes, når du vælger separatorer til lithium-ion-batterier:
1. Det har elektronisk isolering og sikrer den mekaniske isolering af de positive og negative elektroder;
2. Det har en vis porestørrelse og porøsitet for at sikre lav modstand og høj ionisk ledningsevne;
3. Membranmaterialet har tilstrækkelig kemisk stabilitet og skal være modstandsdygtigt over for elektrolytkorrosion;
4. Membranen skal have funktionen som automatisk nedlukningsbeskyttelse;
5. Den termiske krympning og deformerbarhed af membranen skal være så lille som muligt;
6 Membranen skal have en vis tykkelse;
7 Membranen skal have stærk fysisk styrke og tilstrækkelig modstand mod punktering.
c) Valg af elektrolyt
Elektrolytten er en vigtig bestanddel af lithium-ion-batterier og spiller en rolle ved transport og ledning af strøm mellem batteriets positive og negative elektroder. Elektrolytten, der anvendes i lithium-ion-batterier, er en elektrolytopløsning dannet ved at opløse et passende lithiumsalt i et organisk aprotisk blandet opløsningsmiddel. Det skal normalt opfylde følgende krav:
1. God kemisk stabilitet, ingen kemisk reaktion med elektrodeaktive materialer, strømaftagere og separatorer;
2. God elektrokemisk stabilitet og bredt elektrokemisk vindue;
3 Lithium-ioner har høj ledningsevne og lav elektronisk ledningsevne;
4. Bredt væsketemperaturområde;
5. Sikker, ikke-giftig og miljøvenlig.
Styrk det overordnede sikkerhedsdesign af battericeller
Batterikernen er det led, der kombinerer forskellige materialer i batteriet. Den integrerer den positive elektrode, negative elektrode, separator, tap og emballagefilm. Det strukturelle design af batterikernen påvirker ikke kun ydeevnen af forskellige materialer, men også batteriets overordnede ydeevne. Elektrokemisk ydeevne og sikkerhedsydelse har en vigtig indflydelse. Valget af materialer og det strukturelle design af batterikernen er i et delvist og samlet forhold. Materialeegenskaberne bør kombineres i batterikernedesignet for at formulere en rimelig strukturel model.
Derudover kan nogle yderligere beskyttelsesanordninger også overvejes i lithiumbatteristrukturen. Almindelige design af beskyttelsesmekanismer omfatter følgende:
1. Ved hjælp af koblingselementer, når temperaturen inde i batteriet stiger, stiger dets modstand tilsvarende. Når temperaturen er for høj, vil strømforsyningen automatisk blive stoppet;
2. Sæt en sikkerhedsventil op (udluftningshullet på toppen af batteriet). Når batteriets indre tryk stiger til en vis værdi, åbner sikkerhedsventilen automatisk for at sikre dets sikkerhed.
Følgende er nogle eksempler på sikkerhedsdesign af battericellestrukturer:
a) Kapacitetsforhold for positive og negative elektroder og designstørrelse af chip
Vælg det passende positive og negative elektrodekapacitetsforhold baseret på egenskaberne for de positive og negative elektrodematerialer. Forholdet mellem batterikernens positive og negative elektrodekapacitet er et vigtigt led i forhold til lithium-ion-batteriets sikkerhed. Hvis den positive elektrodekapacitet er for stor, vil der forekomme metallisk lithium på overfladen af den negative elektrode. aflejring, og hvis den negative elektrode er for stor, vil batterikapaciteten lide et større tab. Generelt er N/P=1.05~1.15 og passende valg foretaget baseret på den faktiske batterikapacitet og sikkerhedskrav. Design størrelsen af stykket, så positionen af den negative elektrodepasta (aktivt materiale) dækker (er større end) positionen af den positive elektrodepasta. Generelt skal bredden være 1 til 5 mm større og længden 5 til 10 mm større.
b) Tillæg for membranbredde
Det overordnede princip for separatorbreddedesign er at forhindre interne kortslutninger forårsaget af direkte kontakt mellem de positive og negative elektroder. På grund af den termiske krympning af separatoren under opladning og afladning af batteriet og i termisk chok og andre miljøer, vil separatoren deformeres i længde- og bredderetningerne, og separatoren vil. Det krøllede område øger polariseringen på grund af den øgede afstand mellem de positive og negative elektroder; det strakte område af separatoren øger muligheden for mikrokortslutning på grund af udtyndingen af separatoren; krympningen af separatorkantområdet kan få de positive og negative elektroder til at direkte Intern kortslutning opstår på grund af kontakt, hvilket vil medføre, at batteriet er i fare på grund af termisk løb. Ved design af et batteri skal separatorens krympningsegenskaber derfor tages i betragtning ved brug af areal og bredde. Separatoren er større end anoden og katoden. I betragtning af procesfejl skal isolationsfilmen være mindst 0,1 mm længere end den ydre kant af polstykket.
c) Isoleringsbehandling
Intern kortslutning er en vigtig faktor i sikkerhedsrisikoen ved lithium-ion-batterier. I battericellens strukturelle design kan mange potentielt farlige dele forårsage interne kortslutninger. Derfor bør nødvendige foranstaltninger eller isolering opsættes på disse nøglesteder for at forhindre forekomsten af interne kortslutninger under unormale omstændigheder. Hvis der f.eks. opstår en kortslutning i batteriet, skal du holde en nødvendig afstand mellem de positive og negative elektrodeører; påfør isoleringstape på den afsluttende enkeltside uden pasta i midten, og dæk alle de udsatte dele; påfør isoleringstape mellem den positive aluminiumsfolie og det negative aktive materiale; anvendelse Isolerende tape dækker alle svejsedele af fligene; der bruges isoleringstape på toppen af batterikernen.
d) Opsæt en sikkerhedsventil (trykaflastningsanordning)
Lithium-ion-batterier er ofte i fare, fordi den interne temperatur eller trykket er for højt, hvilket forårsager eksplosioner eller brande; opsætning af en rimelig trykaflastningsanordning kan hurtigt frigive trykket og varmen inde i batteriet, når der opstår fare, hvilket reducerer risikoen for eksplosion. En rimelig trykaflastningsanordning er påkrævet for at opfylde batteriets indre tryk under normal drift og automatisk åbne for at frigive trykket, når det indre tryk når den farlige grænse. Når du indstiller trykaflastningsanordningens position, skal virkningen af stigningen i det indre tryk af batterikappen tages i betragtning. Designet baseret på deformationskarakteristika, kan sikkerhedsventiler designes gennem lameller, kanter, sømme og indhak.
Forbedre teknologiniveauet
Der bør gøres en indsats for at standardisere battericelleproduktionsprocessen. I trinene med blanding, belægning, bagning, komprimering, opskæring og vikling, standardiser (såsom membranbredde, elektrolytinjektionsvolumen osv.) og forbedre procesmetoder (såsom lavtryksinjektionsmetode, centrifugalbelastning osv.) Shell-metoden osv.), gør et godt stykke arbejde inden for processtyring, sikrer proceskvalitet og indsnævrer forskellene mellem produkter; opsætte specielle procestrin i nøgletrin, der har indflydelse på sikkerheden (såsom afgratning af elektrodepladen, fejepulver og brug af forskellige svejsemetoder til forskellige materialer) metoder osv.), implementere standardiseret kvalitetsovervågning, eliminere defekte dele og udelukke defekte produkter (såsom polstykkedeformation, membranpunktur, aktivt materiale, der falder af, elektrolytlækage osv.); hold produktionsstedet pænt og rent, og implementer 5S-styring og 6 -sigma-kvalitetskontrol for at forhindre blanding af urenheder og fugt under produktionen og minimere virkningen af ulykker på sikkerheden under produktionen.
