Razumjeti sigurnosnu tehnologiju litijskih baterija s tri aspekta: materijal, dizajn i proces
Opasnosti litij-ionskih baterija
Litij-ionske baterije su potencijalno opasan kemijski izvor energije zbog svojih kemijskih karakteristika i sastava sustava.
(1). Visoka kemijska aktivnost
Litij je glavni element I. skupine u drugoj periodi periodnog sustava elemenata i ima izuzetno aktivna kemijska svojstva.
(2). Visoka gustoća energije
Litij-ionske baterije imaju izuzetno visoku specifičnu energiju (veću ili jednaku 140 Wh/kg), nekoliko puta veću od sekundarnih baterija kao što su nikal-kadmijeve i nikal-vodikove. Toplinska reakcija oslobađa toplinu i može dovesti do nesigurnog ponašanja.
(3). Korištenje sustava organskih elektrolita
Organsko otapalo sustava organskih elektrolita je ugljikovodik, koji ima niski napon razgradnje i sklon je oksidaciji. Otapalo je također zapaljivo; baterija će se zapaliti, izgorjeti ili eksplodirati ako dođe do curenja.
(4). Velika vjerojatnost nuspojava
Tijekom normalne uporabe litij-ionskih baterija, unutar njih se odvijaju pozitivne kemijske reakcije u kojima se električna i kemijska energija pretvaraju jedna u drugu. Međutim, pod određenim uvjetima, kao što je prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje ili rad preko struje, lako je izazvati kemijske nuspojave unutar baterije. Kada se ova sporedna reakcija pojača, to će ozbiljno utjecati na performanse i vijek trajanja baterije. Može se proizvesti velika količina plina, što uzrokuje naglo povećanje tlaka unutar baterije, a zatim eksplodira i zapali se, uzrokujući sigurnosne probleme.
(5). Struktura materijala elektrode je nestabilna
Reakcija prekomjernog punjenja litij-ionskih baterija promijenit će strukturu materijala katode, uzrokujući snažan oksidacijski učinak materijala i jaku oksidaciju otapala u elektrolitu. ovaj učinak je nepovratan, a ako se toplina uzrokovana reakcijom akumulira, postoji rizik od toplinskog odlaska.
Analiza uzroka sigurnosnih problema u litij-ionskim baterijskim proizvodima
Nakon 30 godina industrijskog razvoja litij-ionskih baterijskih proizvoda, sigurnosna tehnologija je postigla veliki napredak, učinkovito kontrolirajući pojavu nuspojava u bateriji i osiguravajući sigurnost baterije. Međutim, kako se litij-ionske baterije koriste sve više i više i njihova gustoća energije postaje sve veća i veća, incidenti poput eksplozija i ozljeda ili povlačenja proizvoda zbog sigurnosnih opasnosti često su se događali posljednjih godina. Sažimamo glavne razloge koji uzrokuju sigurnosne probleme u proizvodima s litij-ionskim baterijama kako slijedi:
1. Problemi s materijalom jezgre baterije
Materijali koji se koriste u jezgri baterije uključuju pozitivni aktivni materijal, negativni aktivni materijal, separator, elektrolit i omotač itd. Odabir materijala i usklađivanje sastavljenog sustava određuju sigurnosne performanse jezgre baterije. Prilikom odabira pozitivnih i negativnih aktivnih materijala i materijala za odvajanje, proizvođač nije proveo određenu procjenu karakteristika i podudarnosti sirovina, što je rezultiralo inherentnim nedostacima u sigurnosti baterijskih ćelija.
2. Problemi proizvodnog procesa
Sirovine baterijskih ćelija nisu strogo testirane. Proizvodno okruženje je loše, što dovodi do miješanja nečistoća u proizvodnji, što ne samo da ima veliki nedostatak na kapacitet baterije, već također ima veliki utjecaj na sigurnost baterije; osim toga, ako se previše umiješa u elektrolit, vlaga može uzrokovati nuspojavu povećanja unutarnjeg tlaka baterije, što utječe na sigurnost; zbog ograničenja na razini proizvodnog procesa, proizvod ne može postići dobru konzistenciju tijekom proizvodnog procesa baterijskih ćelija, kao što je loša ravnost baze elektrode, problemi kao što je otpadanje aktivnih materijala elektroda, miješanje drugih nečistoća u aktivnim materijalima , slabo zavarivanje jezičaka, nestabilna temperatura zavarivanja, neravnine na rubovima polova i neupotreba izolacijske trake na ključnim dijelovima mogu utjecati na sigurnost jezgre baterije. negativan učinak.
3. Greške u dizajnu jezgre baterije i smanjena sigurnosna izvedba
Što se tiče konstrukcijskog dizajna, mnoge ključne točke koje utječu na sigurnost proizvođači ne shvaćaju ozbiljno, kao što je nedostatak izolacijske trake u ključnim dijelovima, dizajn separatora koji ne ostavlja marginu ili je margina nedovoljna, kapacitet pozitivne i negativne elektrode dizajn omjera je nerazuman, a aktivnost pozitivne i negativne elektrode Dizajn omjera površine materijala je nerazuman, dizajn duljine jezička je nerazuman, itd., što može predstavljati skrivene opasnosti za sigurnost baterije. Osim toga, u proizvodnom procesu baterijskih ćelija, kako bi uštedjeli troškove i poboljšali performanse, neki proizvođači baterija pokušavaju uštedjeti i komprimirati sirovine, kao što je smanjenje površine dijafragme, stanjivanje bakrene folije i aluminijske folije i neupotreba ventila za smanjenje tlaka i izolacijske trake itd., to će smanjiti sigurnost baterije.
4. Gustoća energije je previsoka
Tržište teži baterijskim proizvodima većeg kapaciteta. Kako bi povećali konkurentnost proizvoda, proizvođači nastavljaju povećavati volumensku specifičnu energiju litij-ionskih baterija, što uvelike povećava rizik od baterija.
Sigurnosna tehnologija
Iako litij-ionske baterije kriju mnoge skrivene opasnosti, pod posebnim uvjetima uporabe i poduzimanjem određenih mjera, pojavu nuspojava i burnih reakcija u stanicama moguće je učinkovito kontrolirati kako bi se osigurala njihova sigurnost. Sljedeće ukratko predstavlja nekoliko često korištenih sigurnosnih tehnologija za litij-ionske baterije.
Birajte sirovine s višim faktorom sigurnosti
Odaberite pozitivne i negativne aktivne materijale, materijale za odvajanje i elektrolite s višim faktorima sigurnosti.
a) Izbor katodnih materijala
Sigurnost katodnih materijala uglavnom se temelji na sljedeća tri aspekta:
1. Termodinamička stabilnost materijala;
2. Kemijska stabilnost materijala;
3. Fizikalna svojstva materijala.
b) Izbor materijala dijafragme
Glavna funkcija separatora je odvajanje pozitivnih i negativnih elektroda baterije kako bi se spriječio kontakt pozitivnih i negativnih elektroda i izazivanje kratkog spoja. Istodobno ima sposobnost propuštanja iona elektrolita, odnosno ima elektronsku izolaciju i ionsku vodljivost. Prilikom odabira separatora za litij-ionske baterije treba obratiti pozornost na sljedeće:
1. Ima elektroničku izolaciju i osigurava mehaničku izolaciju pozitivne i negativne elektrode;
2. Ima određenu veličinu pora i poroznost kako bi se osigurao mali otpor i visoka ionska vodljivost;
3. Materijal dijafragme ima dovoljnu kemijsku stabilnost i mora biti otporan na koroziju elektrolita;
4. Membrana mora imati funkciju zaštite od automatskog isključivanja;
5. Termičko skupljanje i deformabilnost dijafragme trebaju biti što manji;
6 Dijafragma mora imati određenu debljinu;
7 Dijafragma mora imati jaku fizičku snagu i dovoljnu otpornost na probijanje.
c) Izbor elektrolita
Elektrolit je važna komponenta litij-ionskih baterija i igra ulogu u prijenosu i provođenju struje između pozitivne i negativne elektrode baterije. Elektrolit koji se koristi u litij-ionskim baterijama je otopina elektrolita nastala otapanjem odgovarajuće litijeve soli u organskom aprotonskom miješanom otapalu. Obično bi trebao ispunjavati sljedeće zahtjeve:
1. Dobra kemijska stabilnost, nema kemijske reakcije s aktivnim materijalima elektrode, kolektorima struje i separatorima;
2. Dobra elektrokemijska stabilnost i širok elektrokemijski prozor;
3 Litijevi ioni imaju visoku vodljivost i nisku elektronsku vodljivost;
4. Širok raspon temperature tekućine;
5. Sigurno, netoksično i ekološki prihvatljivo.
Ojačati cjelokupni sigurnosni dizajn baterijskih ćelija
Jezgra baterije je poveznica koja spaja različite materijale u bateriji. Integrira pozitivnu elektrodu, negativnu elektrodu, separator, jezičak i foliju za pakiranje. Strukturni dizajn jezgre baterije utječe ne samo na performanse različitih materijala, već i na ukupne performanse baterije. Elektrokemijska izvedba i sigurnosna izvedba imaju važan utjecaj. Odabir materijala i konstrukcijski dizajn jezgre baterije u djelomičnom su i ukupnom odnosu. Karakteristike materijala treba kombinirati u dizajnu jezgre baterije kako bi se formulirao razuman strukturni model.
Osim toga, neki dodatni zaštitni uređaji također se mogu razmotriti u strukturi litijske baterije. Uobičajeni dizajni zaštitnih mehanizama uključuju sljedeće:
1. Korištenjem sklopnih elemenata, kada temperatura unutar baterije raste, njezin otpor raste u skladu s tim. Kada je temperatura previsoka, napajanje će se automatski zaustaviti;
2. Postavite sigurnosni ventil (otvor za ventilaciju na vrhu baterije). Kada unutarnji tlak baterije poraste do određene vrijednosti, automatski će se otvoriti sigurnosni ventil kako bi se osigurala njezina sigurnost.
Slijedi nekoliko primjera sigurnosnog dizajna struktura baterijskih ćelija:
a) Omjer kapaciteta pozitivnih i negativnih elektroda i dizajn veličine čipa
Odaberite odgovarajući omjer kapaciteta pozitivne i negativne elektrode na temelju karakteristika materijala pozitivne i negativne elektrode. Omjer kapaciteta pozitivne i negativne elektrode jezgre baterije važna je poveznica vezana uz sigurnost litij-ionske baterije. Ako je kapacitet pozitivne elektrode prevelik, metalni litij će se pojaviti na površini negativne elektrode. taloženja, a ako je negativna elektroda prevelika, kapacitet baterije će pretrpjeti veći gubitak. Općenito govoreći, N/P=1.05~1.15 i odgovarajući odabiri se temelje na stvarnom kapacitetu baterije i sigurnosnim zahtjevima. Dizajnirajte veličinu komada tako da položaj paste negativne elektrode (aktivni materijal) pokriva (bude veći od) položaja paste pozitivne elektrode. Općenito, širina bi trebala biti 1 do 5 mm veća, a duljina 5 do 10 mm veća.
b) Dodatak za širinu dijafragme
Opći princip dizajna širine separatora je spriječiti unutarnje kratke spojeve uzrokovane izravnim kontaktom između pozitivne i negativne elektrode. Zbog toplinskog skupljanja separatora tijekom procesa punjenja i pražnjenja baterije te u toplinskom udaru i drugim okruženjima, separator će se deformirati u smjeru duljine i širine, a separator će se naborano područje povećava polarizacija zbog povećane udaljenost između pozitivne i negativne elektrode; rastegnuto područje separatora povećava mogućnost mikro kratkog spoja zbog stanjivanja separatora; skupljanje rubnog područja separatora može uzrokovati da pozitivne i negativne elektrode izravno dođu do unutarnjeg kratkog spoja zbog kontakta, što će uzrokovati opasnost za bateriju zbog toplinskog odlaska. Stoga se pri projektiranju baterije moraju uzeti u obzir karakteristike skupljanja separatora pri korištenju površine i širine. Separator je veći od anode i katode. S obzirom na greške u procesu, izolacijska folija mora biti najmanje 0,1 mm duža od vanjskog ruba polarnog dijela.
c) Izolacijska obrada
Unutarnji kratki spoj važan je faktor u sigurnosnoj opasnosti litij-ionskih baterija. U strukturnom dizajnu baterije, mnogi potencijalno opasni dijelovi mogu uzrokovati unutarnje kratke spojeve. Stoga bi se na ovim ključnim mjestima trebale postaviti potrebne mjere ili izolacija kako bi se spriječila pojava unutarnjeg kratkog spoja u nenormalnim okolnostima. Ako na primjer dođe do kratkog spoja unutar baterije, držite potrebnu udaljenost između ušiju pozitivne i negativne elektrode; na završnu jednu stranu nanijeti izolacijsku traku bez paste u sredini i prekriti sve izložene dijelove; staviti izolacijsku traku između pozitivne aluminijske folije i negativnog aktivnog materijala; primjena Izolacijska traka pokriva sve zavarene dijelove jezičaka; izolacijska traka se koristi na vrhu jezgre baterije.
d) Postavite sigurnosni ventil (uređaj za smanjenje tlaka)
Litij-ionske baterije često su u opasnosti jer su unutarnja temperatura ili tlak previsoki, što uzrokuje eksplozije ili požare; postavljanje razumnog uređaja za smanjenje tlaka može brzo osloboditi tlak i toplinu unutar baterije kada dođe do opasnosti, smanjujući rizik od eksplozije. Potreban je razumni uređaj za rasterećenje tlaka kako bi zadovoljio unutarnji tlak baterije tijekom normalnog rada i automatski se otvorio za otpuštanje tlaka kada unutarnji tlak dosegne opasnu granicu. Prilikom postavljanja položaja uređaja za smanjenje tlaka potrebno je uzeti u obzir utjecaj povećanja unutarnjeg tlaka kućišta baterije. Dizajnirani na temelju karakteristika deformacije, sigurnosni ventili mogu se projektirati kroz lamele, rubove, šavove i zareze.
Poboljšajte razinu tehnologije
Treba uložiti napore u standardizaciju procesa proizvodnje baterijskih ćelija. U koracima miješanja, premazivanja, pečenja, zbijanja, rezanja i namotavanja standardizirajte (kao što je širina dijafragme, volumen ubrizgavanja elektrolita itd.) i poboljšajte metode procesa (kao što je metoda ubrizgavanja pod niskim pritiskom, centrifugalno punjenje itd.) Shell metoda, itd.), obaviti dobar posao u kontroli procesa, osigurati kvalitetu procesa i smanjiti razlike između proizvoda; postaviti posebne procesne korake u ključnim koracima koji utječu na sigurnost (kao što je skidanje ivica s ploče elektrode, prašak za pometanje i korištenje različitih metoda zavarivanja za različite materijale) metode itd.), implementirati standardizirani nadzor kvalitete, ukloniti neispravne dijelove i isključite neispravne proizvode (kao što je deformacija polarnog dijela, probijanje dijafragme, otpadanje aktivnog materijala, curenje elektrolita itd.); održavajte mjesto proizvodnje urednim i čistim i implementirajte 5S upravljanje i 6 -sigma kontrolu kvalitete kako biste spriječili miješanje nečistoća i vlage tijekom proizvodnje i smanjili utjecaj nesreća na sigurnost tijekom proizvodnje.
