Литиевите батерии имат предимствата на преносимостта и бързото зареждане, така че защо оловно-киселинните батерии и другите вторични батерии все още се разпространяват на пазара?
В допълнение към проблемите с разходите и различните области на приложение, друга причина е сигурността.
Литият е най-активният метал в света.Тъй като неговите химични характеристики са твърде активни, когато металният литий е изложен на въздуха, той ще има ожесточена окислителна реакция с кислород, така че е склонен към експлозия, изгаряне и други явления.В допълнение, окислително-редукционната реакция също ще настъпи вътре в литиевата батерия по време на зареждане и разреждане.Експлозията и спонтанното запалване се причиняват главно от натрупването, дифузията и освобождаването на литиевата батерия след нагряване.Накратко, литиевите батерии ще генерират много топлина по време на процеса на зареждане и разреждане, което ще доведе до повишаване на вътрешната температура на батерията и неравномерната температура между отделните батерии, като по този начин ще причини нестабилна работа на батерията.
Опасното поведение на литиево-йонната батерия с термичен изход (включително презареждане и преразреждане на батерията, бързо зареждане и разреждане, късо съединение, механични условия на злоупотреба, високотемпературен термичен удар и т.н.) има вероятност да предизвика опасни странични реакции вътре в батерията и да генерира топлина, директно увреждане на пасивния филм върху повърхността на отрицателния електрод и положителния електрод.
Има много причини за задействане на термични аварии на литиево-йонни батерии.Според характеристиките на задействането, то може да бъде разделено на механично задействане, електрическо задействане и термично задействане.Механична злоупотреба: отнася се до акупунктура, екструзия и удар с тежки предмети, причинени от сблъсък на превозно средство;Електрическа злоупотреба: обикновено причинена от неправилно управление на напрежението или повреда на електрически компонент, включително късо съединение, презареждане и преразреждане;Злоупотреба с топлина: причинена от прегряване, причинено от неправилно управление на температурата.
Тези три метода на задействане са взаимосвързани.Механичната злоупотреба обикновено причинява деформация или разкъсване на диафрагмата на батерията, което води до директен контакт между положителните и отрицателните полюси на батерията и късо съединение, което води до електрическа злоупотреба;Въпреки това, при условие на злоупотреба с електричество, генерирането на топлина като джаулова топлина се увеличава, което води до повишаване на температурата на батерията, което се развива в злоупотреба с топлина, допълнително задейства верижния тип странична реакция на генериране на топлина вътре в батерията и накрая води до появата на на изтичане на топлина от батерията.
Термичното изтичане на батерията се дължи на факта, че скоростта на генериране на топлина на батерията е много по-висока от скоростта на разсейване на топлината и топлината се натрупва в голямо количество, но не се разсейва навреме.По същество „топлинното бягане“ е цикъл на положителна енергийна обратна връзка: повишаващата се температура ще доведе до нагряване на системата и температурата ще се повиши, след като системата се нагрее, което от своя страна ще накара системата да стане по-гореща.
Процесът на термично бягане: когато вътрешната температура на батерията се повиши, SEI филмът на повърхността на SEI филма се разлага при висока температура, литиевият йон, вграден в графита, ще реагира с електролита и свързващото вещество, като допълнително повишава температурата на батерията до 150 ℃ и при тази температура ще настъпи нова бурна екзотермична реакция.Когато температурата на батерията достигне над 200 ℃, материалът на катода се разлага, освобождавайки голямо количество топлина и газ, а батерията започва да се издува и непрекъснато се нагрява.Литиевият вграден анод започва да реагира с електролита при 250-350 ℃.Зареденият катоден материал започва да претърпява бурна реакция на разлагане, а електролитът претърпява бурна реакция на окисление, освобождавайки голямо количество топлина, генерирайки висока температура и голямо количество газ, причинявайки изгаряне и експлозия на батерията.
Проблемът с утаяването на литиев дендрит по време на презареждане: След като литиево-кобалатната батерия е напълно заредена, голямо количество литиеви йони остават в положителния електрод.Тоест, катодът не може да задържи повече литиеви йони, прикрепени към катода, но в свръхзаредено състояние, излишните литиеви йони на катода все още ще плуват към катода.Тъй като те не могат да бъдат напълно задържани, върху катода ще се образува метален литий.Тъй като този метален литий е дендритен кристал, той се нарича дендрит.Ако дендритът е твърде дълъг, е лесно да се пробие диафрагмата, причинявайки вътрешно късо съединение.Тъй като основният компонент на електролита е карбонат, неговата точка на запалване и точка на кипене са ниски, така че той ще изгори или дори експлодира при висока температура.
Ако е полимерна литиева батерия, електролитът е колоиден, който е склонен към по-бурно горене.За да решат този проблем, учените се опитват да заменят по-безопасни катодни материали.Материалът на литиево-манганатната батерия има определени предимства.Той може да гарантира, че литиевият йон на положителния електрод може да бъде напълно вграден във въглеродния отвор на отрицателния електрод при пълно зареждане, вместо да има определени остатъци в положителния електрод като литиев кобалат, което до известна степен избягва генерирането на дендрити.Стабилната структура на литиевия манганат прави неговата окислителна ефективност много по-ниска от тази на литиевия кобалат.Дори ако има външно късо съединение (а не вътрешно късо съединение), то може основно да избегне изгаряне и експлозия, причинени от утаяване на метален литий.Литиево-железният фосфат има по-висока термична стабилност и по-нисък капацитет на окисление на електролита, така че има висока безопасност.
Отслабването на стареенето на литиево-йонната батерия се проявява чрез намаляване на капацитета и увеличаване на вътрешното съпротивление, а вътрешният механизъм за намаляване на стареенето включва загуба на положителни и отрицателни активни материали и загуба на налични литиеви йони.Когато катодният материал остарее и се разложи и капацитетът на катода е недостатъчен, рискът от отделяне на литий от катода е по-вероятно да възникне.При условие на прекомерно разреждане, потенциалът на катода спрямо лития ще се повиши до над 3 V, което е по-високо от потенциала на разтваряне на медта, причинявайки разтварянето на медния колектор.Разтворените медни йони ще се утаят върху повърхността на катода и ще образуват медни дендрити.Медните дендрити ще преминат през диафрагмата, причинявайки вътрешно късо съединение, което сериозно засяга ефективността на безопасността на батерията.
В допълнение, устойчивостта на презареждане на стареещите батерии ще намалее до известна степен, главно поради увеличаването на вътрешното съпротивление и намаляването на положителните и отрицателните активни вещества, което води до увеличаване на джаулова топлина по време на процеса на презареждане на батериите.При по-малко презареждане може да се задействат странични реакции, причиняващи термично изтичане на батериите.По отношение на термичната стабилност, отделянето на литий от катода ще доведе до рязък спад в термичната стабилност на батерията.
С една дума, ефективността на безопасността на старата батерия ще бъде значително намалена, което сериозно ще застраши безопасността на батерията.Най-често срещаното решение е да се оборудва системата за съхранение на енергия от батерията със система за управление на батерията (BMS).Например батериите 8000 18650, използвани в Tesla Model S, могат да реализират мониторинг в реално време на различни физически параметри на батерията, да оценят състоянието на използване на батерията и да извършват онлайн диагностика и ранно предупреждение чрез своята система за управление на батерията.В същото време той може също да извършва контрол на разреждането и предварителното зареждане, управление на баланса на батерията и управление на топлината.
Време на публикуване: 2 декември 2022 г