Pochopte bezpečnostnú technológiu lítiových batérií z troch hľadísk: materiál, dizajn a proces
Nebezpečenstvo lítium-iónových batérií
Lítium-iónové batérie sú potenciálne nebezpečným chemickým zdrojom energie kvôli svojim chemickým vlastnostiam a zloženiu systému.
(1). Vysoká chemická aktivita
Lítium je hlavným prvkom skupiny I v druhej perióde periodickej tabuľky prvkov a má mimoriadne aktívne chemické vlastnosti.
(2). Vysoká hustota energie
Lítium-iónové batérie majú extrémne vysokú špecifickú energiu (viac alebo rovnajúcu sa 140 Wh/kg), niekoľkonásobne vyššiu ako sekundárne batérie, ako sú nikel-kadmium a nikel-vodík. Tepelná úniková reakcia uvoľňuje teplo a môže viesť k nebezpečnému správaniu.
(3). Použitie organického elektrolytického systému
Organickým rozpúšťadlom organického elektrolytického systému je uhľovodík, ktorý má nízke rozkladné napätie a je náchylný na oxidáciu. Rozpúšťadlo je tiež horľavé; batéria sa vznieti, zhorí alebo exploduje, ak dôjde k vytečeniu.
(4). Vysoká pravdepodobnosť vedľajších reakcií
Pri bežnom používaní lítium-iónových batérií sa interne uskutočňujú chemické pozitívne reakcie, pri ktorých sa elektrická a chemická energia navzájom premieňajú. Za určitých podmienok, ako je prebíjanie, nadmerné vybíjanie alebo nadprúdová prevádzka, je však ľahké vyvolať chemické vedľajšie reakcie vo vnútri batérie. Keď sa táto bočná reakcia zintenzívni, vážne to ovplyvní výkon a životnosť batérie. Môže sa vytvoriť veľké množstvo plynu, čo spôsobí rýchle zvýšenie tlaku vo vnútri batérie a následné explóziu a vznietenie, čo spôsobí bezpečnostné problémy.
(5). Štruktúra materiálu elektródy je nestabilná
Reakcia prebíjania lítium-iónových batérií zmení štruktúru materiálu katódy, čo spôsobí, že materiál bude mať silný oxidačný účinok a spôsobí silnú oxidáciu rozpúšťadla v elektrolyte. tento efekt je nezvratný a ak sa teplo spôsobené reakciou akumuluje, hrozí tepelný únik.
Analýza príčin bezpečnostných problémov v produktoch lítium-iónových batérií
Po 30 rokoch priemyselného vývoja produktov lítium-iónových batérií zaznamenala bezpečnostná technológia veľký pokrok, účinne kontroluje výskyt vedľajších reakcií v batérii a zaisťuje bezpečnosť batérie. Keďže sa však lítium-iónové batérie používajú čoraz častejšie a ich energetická hustota je stále vyššia, v posledných rokoch sa často vyskytli incidenty, ako sú výbuchy a zranenia alebo stiahnutie výrobkov z trhu z dôvodu bezpečnostných rizík. Hlavné dôvody, ktoré spôsobujú bezpečnostné problémy v produktoch lítium-iónových batérií, zhrnieme nasledovne:
1. Problémy s materiálom jadra batérie
Materiály použité v jadre batérie zahŕňajú kladný aktívny materiál, záporný aktívny materiál, separátor, elektrolyt a obal atď. Výber materiálov a zladenie zloženého systému určuje bezpečnostný výkon jadra batérie. Pri výbere pozitívnych a negatívnych aktívnych materiálov a separátorových materiálov výrobca nevykonal určité posúdenie charakteristík a zhody surovín, čo malo za následok prirodzené nedostatky v bezpečnosti článkov batérie.
2. Problematika výrobného procesu
Suroviny batériových článkov nie sú prísne testované. Výrobné prostredie je zlé, čo vedie k miešaniu nečistôt vo výrobe, čo má nielen veľkú nevýhodu na kapacite batérie, ale má aj veľký vplyv na bezpečnosť batérie; okrem toho, ak sa do elektrolytu primieša príliš veľa vlhkosti, vlhkosť môže spôsobiť vedľajšie reakcie na zvýšenie vnútorného tlaku batérie, čo má vplyv na bezpečnosť; kvôli obmedzeniam na úrovni výrobného procesu nemôže produkt dosiahnuť dobrú konzistenciu počas výrobného procesu batériových článkov, ako je zlá rovinnosť základne elektródy, problémy ako odpadávanie aktívnych materiálov elektród, miešanie iných nečistôt v aktívnych materiáloch , slabé zváranie jazýčkov, nestabilná teplota zvárania, otrepy na okrajoch pólových nástavcov a nepoužívanie izolačnej pásky na kľúčových častiach, to všetko môže ovplyvniť bezpečnosť jadra batérie. negatívny efekt.
3. Chyby konštrukcie jadra batérie a znížený bezpečnostný výkon
Pokiaľ ide o štrukturálny dizajn, výrobcovia neberú vážne mnohé kľúčové body, ktoré majú vplyv na bezpečnosť, ako napríklad absencia izolačnej pásky v kľúčových častiach, konštrukcia oddeľovača, ktorá neponecháva žiadnu rezervu alebo je nedostatočná, kapacita kladnej a zápornej elektródy Návrh pomeru je neprimeraný a aktivita kladnej a zápornej elektródy Návrh pomeru plochy materiálu je neprimeraný, návrh dĺžky pútka je neprimeraný atď., čo môže predstavovať skryté nebezpečenstvo pre bezpečnosť batérie. Okrem toho sa pri výrobnom procese batériových článkov, aby sa ušetrili náklady a zlepšil výkon, niektorí výrobcovia batérií sa snažia šetriť a stláčať suroviny, ako je zmenšenie plochy membrány, stenčenie medenej fólie a hliníkovej fólie a nepoužívanie tlakových poistných ventilov. a izolačné pásky atď., tie znížia bezpečnosť batérie.
4. Hustota energie je príliš vysoká
Trh hľadá produkty s batériou s vyššou kapacitou. Na zvýšenie konkurencieschopnosti produktov výrobcovia naďalej zvyšujú objemovo špecifickú energiu lítium-iónových batérií, čo výrazne zvyšuje riziko batérií.
Bezpečnostná technológia
Hoci lítium-iónové batérie majú veľa skrytých nebezpečenstiev, za špecifických podmienok používania a prijatím určitých opatrení je možné výskyt vedľajších a prudkých reakcií v článkoch účinne kontrolovať, aby sa zaistila ich bezpečnosť. Nasledujúci text stručne predstaví niekoľko bežne používaných bezpečnostných technológií pre lítium-iónové batérie.
Vyberajte si suroviny s vyšším bezpečnostným faktorom
Vyberte si pozitívne a negatívne aktívne materiály, separačné materiály a elektrolyty s vyššími bezpečnostnými faktormi.
a) Výber materiálov katódy
Bezpečnosť katódových materiálov je založená hlavne na nasledujúcich troch aspektoch:
1. Termodynamická stabilita materiálu;
2. Chemická stabilita materiálov;
3. Fyzikálne vlastnosti materiálov.
b) Výber materiálov membrány
Hlavnou funkciou separátora je oddeliť kladné a záporné elektródy batérie, aby sa zabránilo kontaktu kladných a záporných elektród a spôsobeniu skratu. Zároveň má schopnosť prepúšťať ióny elektrolytu, to znamená, že má elektronickú izoláciu a iónovú vodivosť. Pri výbere separátorov pre lítium-iónové batérie by ste mali venovať pozornosť nasledujúcim bodom:
1. Má elektronickú izoláciu a zabezpečuje mechanickú izoláciu kladných a záporných elektród;
2. Má určitú veľkosť pórov a pórovitosť na zabezpečenie nízkeho odporu a vysokej iónovej vodivosti;
3. Materiál membrány má dostatočnú chemickú stabilitu a musí byť odolný voči korózii elektrolytu;
4. Membrána musí mať funkciu ochrany proti automatickému vypnutiu;
5. Tepelné zmrštenie a deformovateľnosť membrány by mali byť čo najmenšie;
6 Membrána musí mať určitú hrúbku;
7 Membrána musí mať silnú fyzickú pevnosť a dostatočnú odolnosť proti prepichnutiu.
c) Výber elektrolytu
Elektrolyt je dôležitou súčasťou lítium-iónových batérií a zohráva úlohu pri transporte a vedení prúdu medzi kladnými a zápornými elektródami batérie. Elektrolyt používaný v lítium-iónových batériách je roztok elektrolytu vytvorený rozpustením vhodnej lítiovej soli v organickom aprotickom zmiešanom rozpúšťadle. Zvyčajne by mal spĺňať nasledujúce požiadavky:
1. Dobrá chemická stabilita, žiadna chemická reakcia s aktívnymi materiálmi elektród, zberačmi prúdu a separátormi;
2. Dobrá elektrochemická stabilita a široké elektrochemické okno;
3 Lítiové ióny majú vysokú vodivosť a nízku elektronickú vodivosť;
4. Široký rozsah teploty kvapaliny;
5. Bezpečné, netoxické a šetrné k životnému prostrediu.
Posilnite celkovú bezpečnostnú konštrukciu batériových článkov
Jadro batérie je spojenie, ktoré v batérii kombinuje rôzne materiály. Integruje kladnú elektródu, zápornú elektródu, separátor, pútko a baliaci film. Konštrukčné riešenie jadra batérie ovplyvňuje nielen výkon rôznych materiálov, ale aj celkový výkon batérie. Elektrochemický výkon a bezpečnosť majú dôležitý vplyv. Výber materiálov a konštrukčné riešenie jadra batérie sú v čiastočnom a celkovom vzťahu. Materiálové charakteristiky by sa mali kombinovať v konštrukcii jadra batérie, aby sa vytvoril primeraný konštrukčný model.
Okrem toho je možné v štruktúre lítiovej batérie zvážiť aj niektoré ďalšie ochranné zariadenia. Bežné návrhy ochranných mechanizmov zahŕňajú:
1. Pomocou spínacích prvkov, keď teplota vo vnútri batérie stúpne, zodpovedajúcim spôsobom sa zvýši jej odpor. Keď je teplota príliš vysoká, napájanie sa automaticky zastaví;
2. Nastavte poistný ventil (odvzdušňovací otvor v hornej časti batérie). Keď vnútorný tlak batérie stúpne na určitú hodnotu, bezpečnostný ventil sa automaticky otvorí, aby bola zaistená jej bezpečnosť.
Nasleduje niekoľko príkladov bezpečnostného návrhu štruktúr batériových článkov:
a) Pomer kapacity kladných a záporných elektród a konštrukčná veľkosť čipu
Vyberte vhodný pomer kapacity kladnej a zápornej elektródy na základe charakteristík materiálov kladných a záporných elektród. Pomer kladnej a zápornej kapacity elektródy jadra batérie je dôležitým článkom súvisiacim s bezpečnosťou lítium-iónovej batérie. Ak je kapacita kladnej elektródy príliš veľká, na povrchu zápornej elektródy sa objaví kovové lítium. a ak je záporná elektróda príliš veľká, kapacita batérie utrpí väčšiu stratu. Všeobecne povedané, N/P=1.05~1.15 a príslušné výbery sa robia na základe skutočnej kapacity batérie a bezpečnostných požiadaviek. Navrhnite veľkosť kusu tak, aby poloha pasty zápornej elektródy (aktívneho materiálu) prekrývala (bola väčšia ako) poloha pasty kladnej elektródy. Vo všeobecnosti by mala byť šírka o 1 až 5 mm väčšia a dĺžka o 5 až 10 mm väčšia.
b) Prídavok na šírku membrány
Celkovým princípom konštrukcie šírky separátora je zabrániť vnútorným skratom spôsobeným priamym kontaktom medzi kladnými a zápornými elektródami. V dôsledku tepelného zmrštenia separátora počas procesu nabíjania a vybíjania batérie a pri tepelnom šoku a iných prostrediach sa separátor deformuje v smere dĺžky a šírky a separátor sa bude deformovať. Vráskavá oblasť zvyšuje polarizáciu v dôsledku vzdialenosť medzi kladnými a zápornými elektródami; natiahnutá plocha separátora zvyšuje možnosť mikro skratu v dôsledku stenčenia separátora; zmrštenie oblasti okraja separátora môže spôsobiť priame priame spojenie kladných a záporných elektród. Dochádza k vnútornému skratu v dôsledku kontaktu, ktorý spôsobí nebezpečenstvo pre batériu v dôsledku tepelného úniku. Preto pri navrhovaní batérie treba pri použití plochy a šírky zvážiť charakteristiky zmršťovania separátora. Separátor je väčší ako anóda a katóda. Vzhľadom na chyby procesu musí byť izolačná fólia aspoň o 0,1 mm dlhšia ako vonkajší okraj pólového nástavca.
c) Izolačná úprava
Vnútorný skrat je dôležitým faktorom bezpečnostného rizika lítium-iónových batérií. V konštrukčnom riešení batériového článku môže mnoho potenciálne nebezpečných častí spôsobiť vnútorné skraty. Preto by sa na týchto kľúčových miestach mali zaviesť potrebné opatrenia alebo izolácia, aby sa zabránilo výskytu vnútorných skratov za abnormálnych okolností. Ak napríklad dôjde ku skratu v batérii, udržujte potrebnú vzdialenosť medzi ušami kladnej a zápornej elektródy; aplikujte izolačnú pásku na konečnú stranu bez pasty v strede a zakryte všetky odkryté časti; aplikujte izolačnú pásku medzi pozitívnu hliníkovú fóliu a negatívny aktívny materiál; použitie Izolačná páska pokrýva všetky zváracie časti štítkov; izolačná páska je použitá na vrchu jadra batérie.
d) Nastavte poistný ventil (zariadenie na uvoľnenie tlaku)
Lítium-iónové batérie sú často v nebezpečenstve, pretože vnútorná teplota alebo tlak sú príliš vysoké a spôsobujú výbuchy alebo požiare; nastavenie primeraného zariadenia na odľahčenie tlaku môže v prípade nebezpečenstva rýchlo uvoľniť tlak a teplo vo vnútri batérie, čím sa zníži riziko výbuchu. Je potrebné primerané zariadenie na odľahčenie tlaku, aby zodpovedalo vnútornému tlaku batérie počas normálnej prevádzky a aby sa automaticky otvorilo, aby sa uvoľnil tlak, keď vnútorný tlak dosiahne nebezpečnú hranicu. Pri nastavovaní polohy pretlakového zariadenia je potrebné zvážiť vplyv zvýšenia vnútorného tlaku plášťa batérie. Poistné ventily, navrhnuté na základe deformačných charakteristík, môžu byť navrhnuté cez lamely, okraje, švy a zárezy.
Zlepšiť úroveň technológie
Malo by sa vyvinúť úsilie na štandardizáciu procesu výroby batériových článkov. V krokoch miešania, poťahovania, pečenia, zhutňovania, rezania a navíjania štandardizujte (ako je šírka membrány, objem vstrekovania elektrolytu atď.) a zlepšujte procesné metódy (ako je nízkotlaková vstrekovacia metóda, odstredivé zaťaženie atď.) Shell metóda atď.), odvádzajú dobrú prácu pri kontrole procesov, zabezpečujú kvalitu procesov a zmenšujú rozdiely medzi produktmi; nastaviť špeciálne procesné kroky v kľúčových krokoch, ktoré majú vplyv na bezpečnosť (ako je odhrotovanie elektródovej dosky, zametanie prášku a použitie rôznych metód zvárania pre rôzne materiály), metódy atď.), implementovať štandardizované monitorovanie kvality, odstrániť chybné diely a vylúčiť chybné výrobky (ako je deformácia pólového nástavca, prepichnutie membrány, odpadávanie aktívneho materiálu, únik elektrolytu atď.); udržujte výrobné miesto upratané a čisté a implementujte riadenie 5S a 6 -kontrolu kvality sigma, aby ste zabránili miešaniu nečistôt a vlhkosti počas výroby a minimalizovali vplyv nehôd na bezpečnosť počas výroby.
