Introducción de la batería de iones de litio

En el proceso de desarrollo de vehículos de nueva energía, además de los altos precios, el corto alcance de conducción y el suministro de energía y la infraestructura de reemplazo insuficientes, la seguridad energética es el foco de los consumidores y profesionales. Este problema también afecta el aumento de energía específico de la batería de potencia.

"Desarrollar la prevención de cortocircuitos, la prevención de sobrecargas, el control a prueba de calor, los electrolitos no combustibles y anti-quemaduras es la clave para la seguridad de las baterías". El profesor Xinping Ai de la Universidad de Wuhan destacó el pico de desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía BBS en la 14a exposición internacional de la industria de China en Shanghai.

Mecanismo de comportamiento inseguro de la batería de iones de litio

Xinping Ai señaló que además de la reacción normal de carga y descarga, la batería de iones de litio tiene muchas reacciones secundarias exotérmicas potenciales. Cuando la temperatura de la batería o el voltaje de carga es demasiado alto, estas reacciones secundarias exotérmicas se producen fácilmente.

Las principales reacciones secundarias de sobrecalentamiento incluyen 1. La película de SEI se descompone a una temperatura superior a 130 ° C, de modo que el electrolito se libera mediante una gran cantidad de reducción en la superficie del electrodo negativo de carbono de alta actividad expuesto, lo que resulta en un aumento. en la temperatura de la batería. Ésta es la causa principal de la fuga térmica de la batería.

2. El calor del estado positivo del electrodo positivo del estado cargado y la descomposición del electrolito causada por el oxígeno activo exacerban aún más la acumulación de calor dentro de la batería y promueven la fuga térmica.

3. La descomposición térmica del electrolito hace que el electrolito disipe el calor y acelere el aumento de temperatura de la batería.

4. La reacción del aglutinante con un electrodo negativo altamente activo. La temperatura inicial de reacción de LixC6 con PVDF es de aproximadamente 240 ° C, la temperatura máxima es de 290 ° C y el calor de reacción es de 1500 J / g.

La principal reacción secundaria de sobrecarga es que el electrolito orgánico se oxida y se descompone para generar gas orgánico de molécula pequeña, lo que hace que la presión interna de la batería aumente y la temperatura aumente.

Cuando la tasa de generación de calor de la reacción secundaria exotérmica es más alta que la tasa de disipación de calor de la batería de potencia, la presión y temperatura internas de la batería aumentarán bruscamente y entrarán en un estado de autocalentamiento incontrolable, es decir, el calor está fuera. de control, haciendo que la batería se queme. Cuanto más gruesa es la batería, mayor es la capacidad, más lenta es la disipación del calor y cuanto mayor es la generación de calor, es más probable que cause problemas de seguridad.

Factores de iniciación del comportamiento inseguro de la batería de iones de litio

Incluye principalmente el cortocircuito causado por las siguientes tres condiciones: 1 polvo conductor de la superficie del proceso, desalineación de los polos positivo y negativo, rebabas de la pieza polar y desigualdad en la distribución de electrolitos; 2 impurezas metálicas en el material; 3 carga a baja temperatura, carga de alta corriente, rendimiento del electrodo negativo La atenuación excesiva conduce a la aplicación de litio, vibración o colisión en la superficie del electrodo negativo.

Además, hay una sobrecarga local causada por una carga de alta corriente, una sobrecarga extrema debido al revestimiento desigual de la pieza polar, una distribución desigual de los factores electrohidráulicos y de sobrecarga, como la atenuación excesiva del rendimiento del electrodo positivo.

Progreso en la tecnología de seguridad de baterías de iones de litio

Los métodos convencionales como el diseño y fabricación de seguridad de la batería, los dispositivos limitadores de corriente PTC, las válvulas de seguridad de presión, los diafragmas termosellados y la estabilidad térmica mejorada de los materiales de la batería tienen sus limitaciones y solo pueden reducir la probabilidad de un comportamiento inseguro de las baterías hasta cierto punto. Xinping Ai enfatizó: Para resolver el problema fundamentalmente, es necesario estudiar nuevas tecnologías para prevenir cortocircuitos, prevención de sobrecargas, control de pérdida de calor, electrolito anti-combustión y no combustible, y establecer un mecanismo de protección de seguridad autoexcitado para baterías.

1. Prevenga el cortocircuito interno de la batería: Recubrimientos protectores como diafragmas cerámicos y capas de resistencia térmica negativa.

2. Tecnología anti-sobrecarga.

A, potencia redox al aditivo: se añade al electrolito un par eléctrico redox O / R. Cuando la batería está sobrecargada, R se oxida a O en el electrodo positivo, y luego O se difunde al electrodo negativo y se reduce a R. Esta circulación interna sujeta el potencial de carga a un valor seguro, inhibiendo la descomposición del electrolito y otras reacciones de los electrodos.

Los derivados de dimetoxibenceno tienen una capacidad de sujeción de voltaje estable, pero debido a la baja solubilidad, la capacidad de sujeción es inferior a 0,5 ° C; la autodescarga de la batería es grande. Se necesitan más investigaciones sobre la estructura molecular de Shuttle.

La protección de sobrecarga reversible no solo resuelve el problema de sobrecarga de la batería, sino que también facilita el equilibrio de capacidad de una sola batería en el paquete de baterías, reduce el requisito de consistencia de la batería y prolonga la vida útil de la batería.

B, diafragma sensible al voltaje: se rellena un polímero electroactivo en los microporos de la porción del diafragma. En el rango normal de voltaje de carga y descarga, el diafragma está en un estado aislante y solo se permite la conducción de iones; cuando el voltaje de carga alcanza un valor de control, el polímero se oxida y se dopa a un estado eléctricamente conductor. Se forma un puente conductor de polímero entre los electrodos positivo y negativo para desviar la corriente de carga, evitando así la sobrecarga de la batería.

3. Tecnología para prevenir la fuga térmica.

A, electrodo sensible a la temperatura (electrodo PTC): el material PTC tiene un buen contacto con el negro de humo conductor disperso en la matriz de polímero a temperatura normal, y puede formar un buen canal de transporte de electrones y tiene una alta conductividad electrónica; cuando la temperatura se eleva a la temperatura de transición de Curie del material compuesto, el polímero se expande, el negro de humo conductor está fuera de contacto y la conductividad del material compuesto cae bruscamente.

A altas temperaturas, la resistencia del recubrimiento PTC incrustado entre el colector de corriente del electrodo PTC y el recubrimiento activo del electrodo aumenta drásticamente, cortando la transmisión de corriente, terminando la reacción de la batería e impidiendo la seguridad de la batería debido a la fuga térmica.

Por ejemplo, el electrodo de cobaltato de litio PTC (LiCoO2), los resultados experimentales muestran que a una temperatura alta de 80 ~ 120 ° C, muestra un buen efecto de bloqueo de calor de autoexcitación, puede prevenir la seguridad de la batería causada por sobrecarga y cortocircuito externo.

Sin embargo, el electrodo PTC es incapaz de cortocircuito interno. Además, las características de respuesta a la temperatura del material polimérico PTC aún no se han optimizado aún más.

B, electrodo termosellado. Una capa de material termofusible nanoesférico se modifica en la superficie del electrodo o membrana. A temperatura normal, la acumulación de partículas esféricas forma porosas, lo que no afecta el transporte de iones en fase líquida; cuando la temperatura se eleva a la temperatura de fusión del material esférico, la esfera se funde en una membrana densa, que corta el transporte de iones y termina la reacción de la batería.

C, batería de curado térmico: se añade al electrolito un monómero que puede sufrir polimerización térmica. Cuando la temperatura aumenta, se produce la polimerización, el electrolito se solidifica, el transporte de iones se interrumpe y la reacción de la batería finaliza. Por ejemplo, los experimentos han demostrado que los aditivos de electrolitos BMI tienen poco efecto sobre la carga y descarga de la batería. A altas temperaturas, el BMI puede inhibir la carga y descarga de la batería.

4. Electrolito no combustible para evitar que la batería se queme. El organofosfato tiene las características de un alto retardo de llama y una gran capacidad para disolver las sales de electrolitos. Por ejemplo, DMMP (dimetoximetil fosfato): baja viscosidad (CP ~ 1,75, 25 ° C), bajo punto de fusión, alto punto de ebullición (-50 ~ 181 ° C), retardante de llama fuerte (contenido de P: 25%), el La sal de litio tiene una alta solubilidad.

Sin embargo, el disolvente retardante de llama tiene los siguientes problemas en la aplicación: mala compatibilidad con el electrodo negativo y baja eficiencia de carga y descarga de la batería. Por lo tanto, existe la necesidad de encontrar aditivos formadores de película adecuados.

Temas de seguridad a los que se debe prestar atención en la comercialización de baterías eléctricas

Para la seguridad de las baterías de energía de iones de litio, Xinping Ai cree que, en primer lugar, dado que la descomposición térmica del material del electrodo positivo es solo una parte de la reacción térmica fuera de control, en teoría, la batería de fosfato de hierro y litio no es absolutamente segura, y el La batería de gran capacidad debe tener cuidado al cargarla. .

En segundo lugar, debido a la probabilidad de detección de la batería, no se puede demostrar que la batería de potencia probada por seguridad sea absolutamente segura. Estrictamente hablando, la batería debe probarse después de un cierto número de ciclos de carga y descarga completa; la batería después de una carga a baja temperatura; el módulo de batería y el paquete de batería se prueban para garantizar su seguridad.

Y, en el proceso de la batería, los fabricantes de vehículos como la batería de energía en el rango de control de temperatura ambiente de 20 ~ 45 ℃ , por lo que no solo pueden mejorar la vida útil y la confiabilidad de la batería, sino que también pueden evitar los problemas de litio de análisis de baja temperatura causados por un cortocircuito y fuga térmica por alta temperatura.

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