Ličio jonų akumuliatorių taikymas ir saugos klausimai:Ličio jonų baterijos yra plačiai naudojamos dėl didelio energijos tankio, didelės išėjimo galios ir didelės vidutinės išėjimo įtampos. Tačiau nelaimingų atsitikimų, kuriuos sukelia akumuliatoriaus gedimai, įvyksta kiekvienais metais, ir mažai žmonių aktyviai supranta saugumo riziką. Todėl labai svarbu nustatyti ir sumažinti ličio baterijų keliamus pavojus saugai.
Pagrindinis straipsnio turinys:Pirmiausia analizuojamas terminio bėgimo reiškinys ir aptariamos įvairios stebėjimo sistemos. Tada akcentuojamas pluoštinių Bragg grotelių jutiklių (FBG) taikymas realiu laiku aptikti akumuliatoriaus duomenis. Galiausiai apibendrinami ličio baterijų saugos problemų mažinimo metodai, įskaitant elektrodų paviršiaus dangų, elektrolitų, separatorių naudojimą ir ličio dendrito augimo slopinimą. Šis turinys turi pamatinę reikšmę būsimiems ličio baterijų saugos tyrimams.
1. Įvadas
Išryškinamos ličio jonų baterijų taikymo ir saugos problemos:atsinaujinančios energijos plėtra yra šių laikų tendencija, o baterijos yra visur kasdieniame gyvenime. Ličio jonų baterijos yra plačiai naudojamos ir labai svarbios kuriant naujas energijos sritis. Tačiau pastaraisiais metais jų perkaitimo problema paveikė elektromobilių kūrimą, o akumuliatorių sauga kelia susirūpinimą.
Tyrimo kryptis ir straipsnio tikslas:Mokslininkai naudoja įvairias technologijas, kad pagerintų ličio jonų baterijų saugumą. Šiuo metu populiari kryptis yra saugos stebėjimo tyrimai, susiję su akumuliatoriaus šilumos nutekėjimo prognozavimo ir įspėjimo metodais. Straipsnyje siekiama apibendrinti aktualius pažangius metodus ir supažindinti su naujausia tyrimų pažanga.
2. Dabartiniai saugos faktorių gerinimo metodai
Saugumo avarijos priežastis:Netinkamai naudojant ličio baterijas (pvz., perkraunant, perkaitus, smūgiuojant, trumpam jungimui), temperatūra neįprastai pakyla, sukeldama vidines chemines reakcijas ir dujas bei dūmus. Atsidaro apsauginis vožtuvas, o karštis dar labiau padidina temperatūrą, o tai gali sukelti degimą arba sprogimą.
Būdai, kaip pagerinti saugumą:daugiausia apima saugos nelaimingų atsitikimų stebėjimą ir išvengimą, akumuliatorių konstrukcijų atnaujinimą arba probleminių komponentų keitimą.
Konkretūs ličio jonų akumuliatorių saugos gerinimo metodai
Užkirsti kelią šiluminiam pabėgimui
Šiluminio pabėgimo principas:Dėl egzoterminės medžiagų reakcijos akumuliatoriaus viduje akumuliatorius greitai įkaista ir išsiskiria cheminė energija. Perkaitimą gali sukelti keli veiksniai, pvz., konstrukcijos deformacija, trumpasis jungimas, perkrovimas, komponentų senėjimas, aušinimo sistemos gedimas ir kt. Didelis akumuliatorių energijos tankis ir degių elektrolitų naudojimas padidina terminio nutekėjimo riziką.
Aušinimo sistema:Mokslininkai sukūrė baterijų šilumos valdymo sistemas (BTMS), įskaitant oro aušinimo ir aušinimo skysčiais sistemas, tačiau abi turi trūkumų. Hibridinė aušinimo sistema apjungia abiejų privalumus ir gali geriau reguliuoti bei valdyti akumuliatoriaus šilumos išsklaidymą, o konkretus pasirinkimas turėtų būti nustatomas pagal situaciją.
| Aušinimo sistemos | Privalumai | Trūkumai |
|
Aušinamas oru BTMS |
Lengvos konstrukcijos Mažos plėtros išlaidos ir priežiūra. |
1. Mažas šilumos laidumas ir pažeidžiamumas terminis lydymas. 2. Sunku naudoti elektrinėse transporto priemonėse. |
|
Skysčiu aušinamas BTMS |
Didelė šiluminė galia ir šiluminė laidumas. |
1. Linkęs skysčiui nutekėti 2. Sunku patobulinti sistemą dėl sudėtingos struktūros |
| Hibridinis BTMS | Geresnis aušinimo efektyvumas | 1. Daugiau komponentų ir sudėtingumo |
Fiber Bragg grotelių jutiklis (FBG)
Stebėjimo principas:Išvenkite pavojų saugai stebėdami kelis akumuliatoriaus simptomus realiuoju laiku. Šiuolaikiniai metodai dažnai netiesiogiai atspindi akumuliatoriaus būseną, stebėdami šilumos srautą arba aptikdami elektrodo įtrūkimus, o FBG jutikliai gali tiesiogiai arba netiesiogiai išmatuoti temperatūrą ir įtempimo reakciją akumuliatoriaus viduje ir išorėje bei tirti elektrolitų skaidymą dėl sąveikos tarp šviesos, kurią skleidžia optiniai pluoštai ir supančią cheminę aplinką.
Privalumai:FBG jutikliai turi minimaliai invazinių, anti-elektromagnetinių trukdžių ir izoliacijos savybes. Jie vis tiek gali tiksliai pateikti duomenis esant aukštai temperatūrai ir aukštam slėgiui. Kai indikatoriai pasiekia kritinę vertę, akumuliatoriaus veikimą galima reguliuoti arba laiku nutraukti, taip pagerinant akumuliatoriaus naudojimo saugumą.
|
Temperatūra Stebėjimas |
Išorinės temperatūros stebėjimas: FBG jutiklis yra tiesiogiai pritvirtintas prie akumuliatoriaus paviršiaus (kuris gali būti formos monetos ar cilindro), kad temperatūra būtų aptikta realiuoju laiku. |
|
Vidinės temperatūros stebėjimas: yra tiesiogiai implantuojamas į akumuliatorių, kad būtų galima nustatyti vidinę temperatūrą. |
|
| Įtempimo stebėjimas |
Išorinis įtempimo stebėjimas: FBG stebi išorinį įtempimą, kurį sukelia tokie veiksniai kaip temperatūros pokyčiai, mechaninis suspaudimas arba smūgiai. |
|
Vidinės įtampos stebėjimas: FBG stebi įtempimą akumuliatoriaus viduje naudojimo metu arba įkrovimo ir iškrovimo metu. |
|
| Vienalaikis temperatūros ir deformacijos stebėjimas | |
Patobulinkite akumuliatoriaus separatorių, kad stabilizuotumėte akumuliatorių
Atskyriklio vaidmuo ir dizaino iššūkiai:Atskyriklis yra fizinis akumuliatoriaus barjeras, kuris neleidžia tiesioginiam kontaktui tarp teigiamo ir neigiamo elektrodų ir talpina elektrolitus, kad paskatintų jonų judėjimą. Dizainas turi subalansuoti mechaninį patvarumą ir poringumą arba transportavimo efektyvumą, todėl jį naudojant didelio masto akumuliatorių sistemose yra sunku.
Tobulinimo būdas:Dabartiniai tyrimai daugiausia skirti pagerinti komercinių poliolefino (PP) membranų, tokių kaip organinių / neorganinių junginių dengimas arba skiepijimas, ir paviršiaus apdorojimas karščiui atspariais junginiais. Elektroninio verpimo technologija taip pat gali būti naudojama nanopluošto membranoms gaminti, kurios gali padidinti šiluminį stabilumą. Hidrofilinių medžiagų pridėjimas gali pagerinti našumą ir slopinti ličio dendrito augimą.
Nedegus polimerinis elektrolitas
Tradicinės elektrolitų problemos ir tobulinimo kryptys:Ekstremaliomis sąlygomis tradiciniai elektrolitai gali svyruoti, o tai gali sukelti oksidaciją, susimaišyti elektrodų medžiagas ir net sprogti. Tobulinimui reikia visapusiškai atsižvelgti į elektrolitų ir elektrodų fizines ir chemines savybes bei stabilumą. Kietieji polimeriniai elektrolitai (SPE) yra ateities tendencija, nesant nuotėkio, didelio mechaninio stiprumo ir stabilumo, o tai gali sumažinti elektrodų medžiagų tūrio pokyčius.
| SPE tipai | Charakteristikos |
| Polietileno oksido SPE |
1. Didesnis laidumas 2. Reguliuojamas dydis 3. Mažesnė kaina 4. Išskirtinės elektrocheminės savybės |
| Polisiloksano SPE |
1. Geresnis terminis stabilumas 2. Nedegumas 3. Didesnės dielektrinės konstantos |
SPE charakteristikos ir antipirenai:Skirtingi SPE turi skirtingus privalumus, tokius kaip didelis laidumas ir reguliuojamas polietileno oksido SPE dydis; Polisiloksano SPE turi gerą terminį stabilumą ir yra nedegūs. Daugumai SPE reikia pridėti antipirenų, o neorganiniai antipirenai yra saugesni ir pigesni, o tai gali pagerinti SPE veikimą ir slopinti ličio dendrito augimą. Tačiau SPE tyrimai yra palyginti nauji ir jų pritaikymas yra ribotas, o komerciniai elektrolitai negali būti pakeisti.
| Antipirenas | Savybės |
| Halogeninis antipirenas |
1. Itin lengvas, itin plonas 2. Sunkiai užsidega 3. Susidarę laisvieji radikalai sušvelnina pirolizę 4. Produktas atskiedžia degiųjų dujų ir deguonies koncentraciją |
| Organofosforo antipirenai |
1. Geresnė priešgaisrinė sauga 2. Patobulintas baterijų ciklo stabilumas 3. Slopintas ličio dendritų augimas 4. Skilimo produktai gali susijungti su degiaisiais laisvaisiais radikalais |
|
Neorganinė fosforo pagrindu pagaminta liepsna Retardantai |
1. Mažas toksiškumas 2. Maža kaina 3. Gali padaryti metalo ličio paviršiaus krūvį vienodą 4. Užkirsti kelią ličio dendritams. |
| Neorganinis Nano-Filler antipirenas |
1. Palengvinkite ličio jonų judėjimą ir sustiprinkite jonus laidumas. 2. Venkite ličio dendritų augimo 3. Gebėjimas slopinti šilumos plitimą 4. Pagerintas terminis stabilumas |
Ličio dendrito augimo slopinimas
Ličio dendritų susidarymas ir pavojai:Ličio dendritus sukelia netolygus ličio jonų nusėdimas teigiamų ir neigiamų elektrodų migracijos metu, dėl kurio elektrodas gali išsiplėsti, sumažėti kuloninis efektyvumas, sumažėti baterijos talpa ir pablogėti saugos charakteristikos, dėl kurių baterija gali sugesti.
Slopinimo metodas:Slopinti iš dviejų krypčių: elektrolito ir ličio metalo neigiamo elektrodo. Pridėjus priedų į elektrolitus, galima pagerinti kietojo elektrolito sąsajos (SEI) sluoksnio, pvz., ličio polisulfidų ir ličio nitrato, funkcionalumą, o tai gali veiksmingai slopinti ličio dendritų susidarymą; Elektrodų požiūriu trimačiai neigiami ličio elektrodai gali sumažinti neigiamų elektrodų, tokių kaip grafeno kompozitiniai elektrodai, tūrio pokytį. Taip pat yra keletas naujų SEI sluoksnių, kurie gali veiksmingai slopinti ličio dendrito augimą.
Paviršiaus dengimo elektrodų metodas
Paviršiaus dangos vaidmuo ir panaudojimas:Paviršiaus danga yra pagrindinė katodų apsaugos ir katodinių medžiagų terminio stabilumo gerinimo technologija, kuri gali slopinti fazių perėjimą ir padidinti medžiagos laidumą. Nikelio kobalto mangano trijų komponentų (NMC) katodo medžiagų paviršiaus dengimo technologija gali pagerinti mikrostruktūrą, elektrochemines charakteristikas, šilumos laidumą, jonų difuzijos koeficientą ir šiluminį stabilumą, sumažinti vidinius struktūrinius pažeidimus, padidinti ciklo stabilumą ir užkirsti kelią metalo jonų išplovimui.
Konkretūs metodai ir poveikis:Jei tam tikroms medžiagoms padengti kambario temperatūroje naudojamas sintetinis metodas „danga+perfuzija“ arba naudojant zolio gelio technologiją, kad katodo paviršiuje būtų sukurta vienoda danga žemoje temperatūroje, ciklo stabilumas gali būti žymiai pagerintas.
| Aspektas (-ai) | Pagerėjimas po dengimo |
| Mikroskopinė morfologija ir struktūra |
1. Kompaktiškesnė paviršiaus struktūra teigiamame elektrode ir sutvarkyta grotelių struktūra 2. Padidėjęs stabilumas. |
| Elektrocheminių savybių apibūdinimas |
1. Žymiai pagerėjo ciklo stabilumas 2. Padidintas medžiagos daugiklis 3. Sumažintas medžiagos atsparumas 4. Pagerėjo elektronų pernešimo našumas |
|
Šilumos laidumas, jonų difuzijos koeficientas ir šiluminis stabilumas |
1. Pagerėjo grynų medžiagų šilumos perdavimo charakteristikos 2. Pagerėjo akumuliatoriaus aušinimo ir šiluminės saugos charakteristikos 3. pagerėjo difuzijos efektyvumas |
3. Santrauka
Metodo klasifikacija:Ličio jonų akumuliatorių saugos gerinimo metodus galima apytiksliai suskirstyti į dvi kategorijas: viena iš jų yra stebėti akumuliatoriaus parametrus realiuoju laiku kaip išankstinio įspėjimo sistemą, kad būtų išvengta nelaimingų atsitikimų, o kita – pagerinti vidines medžiagas ar struktūrą. baterija.
Konkrečios priemonės ir poveikis
Pirmoje kategorijoje akumuliatorių šiluminio valdymo sistemos (BTMS) gali užkirsti kelią šilumos nutekėjimui, o hibridinės BTMS turi geriausią aušinimo efektą, tačiau struktūra yra sudėtinga ir kaina didelė. Fiber Bragg grotelių (FBG) jutikliai gali stebėti akumuliatoriaus temperatūrą, įtempimą ir slėgį realiuoju laiku ir gali greitai nustatyti perkaitimą ar neįprastas sąlygas.
Antroje kategorijoje mokslininkai pagerino ličio jonų baterijų saugumą pagerindami separatorius, elektrolitus, slopindami ličio dendrito augimą ir apdorodami katodo paviršių.