Seguridad, detección y popularización de soluciones de baterías de litio

Con la popularidad de los teléfonos móviles, los productos digitales y los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio desempeñan un papel cada vez más importante en la vida de las personas. A menudo se critica el uso de baja densidad de energía, ciclo de vida limitado y otros problemas, pero en comparación con estos problemas, los problemas de seguridad de las baterías son el centro de atención.

En los últimos años, los accidentes causados por problemas de seguridad de la batería están en todas partes, y las consecuencias de muchos problemas son impactantes, como el impactante incidente de incendio de la batería de litio del avión de pasajeros Boeing 787 "Dream" y la explosión de incendio de batería a gran escala de Samsung GalaxyNote7, lo que iones de litio El problema de seguridad de la batería vuelve a sonar la alarma.

Primero, la composición y el principio de funcionamiento de la batería de iones de litio.

La batería de iones de litio se compone principalmente de un electrodo positivo, un electrodo negativo, un electrolito, un separador y una conexión externa y un elemento de embalaje. Entre ellos, el electrodo positivo y el electrodo negativo incluyen un material de electrodo activo, un agente conductor, un aglutinante y similares, y se aplican uniformemente a una hoja de cobre y un colector de corriente de hoja de aluminio.

La batería de iones de litio tiene un alto potencial de electrodo positivo, a menudo un óxido de metal de transición de intercalación de litio o un compuesto polianiónico como cobaltato de litio, manganato de litio, ternario, fosfato de hierro y litio, etc .; el material del ánodo de la batería de iones de litio suele ser un material de carbono. Como grafito y carbono no grafitizable; El electrolito de la batería de iones de litio es principalmente una solución no acuosa, compuesta de una mezcla de disolvente orgánico y sal de litio, en la que el disolvente es principalmente un disolvente orgánico, como el ácido carbónico, y la sal de litio es principalmente una sal de litio polianiónica monovalente, como el hexafluorofosfato de litio y similares. ; Los separadores de baterías de iones de litio son en su mayoría membranas microporosas de polietileno y polipropileno, que funcionan para aislar materiales positivos y negativos, evitar que los electrones pasen por cortocircuitos y permitir el paso de los iones en el electrolito.

Durante el proceso de carga, dentro de la batería, el litio se extrae del electrodo positivo en forma de iones, se transporta a través del separador por el electrolito y se incrusta en el electrodo negativo; fuera de la batería, los electrones migran del circuito externo al electrodo negativo. Durante el proceso de descarga, los iones de litio dentro de la batería se extraen del electrodo negativo, pasan a través del separador y se incrustan en el electrodo positivo; fuera de la batería, los electrones migran del circuito externo al electrodo positivo. Con la carga y descarga, es el "ión de litio" el que migra entre las baterías, en lugar de la simple sustancia "litio", por lo que la batería se llama "batería de iones de litio".

En segundo lugar, el peligro para la seguridad de las baterías de iones de litio

En general, las baterías de iones de litio tienen problemas de seguridad que parecen arder o incluso explotar. La causa principal de estos problemas radica en la fuga térmica dentro de la batería. Además, algunos factores externos como sobrecarga, fuego, extrusión, perforación y cortocircuito. Otros problemas también pueden generar problemas de seguridad. Las baterías de iones de litio generarán calor durante la carga y descarga. Si el calor generado excede la capacidad de disipación de la batería, la batería de iones de litio se sobrecalentará y el material de la batería tendrá reacciones secundarias destructivas como la descomposición de la película SEI, la descomposición del electrolito y la descomposición del electrodo positivo, la reacción del electrodo negativo con el electrolito y la reacción del electrodo negativo con adhesivo.

1. Riesgos de seguridad de los materiales del cátodo

Cuando la batería de iones de litio se usa incorrectamente, la temperatura interna de la batería aumenta, de modo que se produce la descomposición del material activo y la oxidación del electrolito en el material del electrodo positivo. Al mismo tiempo, ambas reacciones pueden generar una gran cantidad de calor, provocando un aumento adicional de la temperatura de la batería. Los diferentes estados de delitiación tienen una gran influencia en la transición de la red del material activo, la temperatura de descomposición y la estabilidad térmica de la batería.

2. El peligro de seguridad del material del ánodo

El material del ánodo utilizado en la etapa inicial es litio metálico. La batería ensamblada es propensa a la dendrita de litio después de repetidas cargas y descargas, y luego perfora el diafragma, provocando un cortocircuito, fugas de líquido e incluso una explosión de la batería. El compuesto de intercalación de litio puede evitar eficazmente la generación de dendritas de litio y mejorar en gran medida la seguridad de la batería de iones de litio. A medida que aumenta la temperatura, el electrodo de carbono negativo en el estado de intercalación de litio primero experimenta una reacción exotérmica con el electrolito. En las mismas condiciones de carga y descarga, la tasa de liberación de calor del electrolito que reacciona con el grafito artificial incorporado con litio es mucho mayor que la de las microesferas de carbono intercaladas, fibras de carbono, coque, etc. con intercalación de litio.

3. El peligro de seguridad del diafragma y el electrolito

El electrolito de la batería de iones de litio es una solución mixta de una sal de litio y un disolvente orgánico, en la que la sal de litio comercial es hexafluorofosfato de litio, el material es susceptible de descomposición térmica a alta temperatura y se somete a una reacción termoquímica con una pequeña cantidad de agua y un disolvente orgánico para reducir la estabilidad térmica del electrolito. El disolvente orgánico del electrolito es un carbonato. Estos disolventes tienen un punto de ebullición bajo y un punto de inflamación bajo, y reaccionan fácilmente con una sal de litio para liberar PF5 a alta temperatura y se oxidan fácilmente.

4. Riesgos para la seguridad en el proceso de fabricación

Las baterías de iones de litio en el proceso de fabricación, la fabricación de electrodos, el montaje de la batería y otros procesos tendrán un impacto en la seguridad de la batería. Como la mezcla positiva y negativa, el recubrimiento, la laminación, el corte o punzonado, el ensamblaje, el llenado de la cantidad de electrolito, el sellado, los procesos químicos y otros de control de calidad, todos afectan el rendimiento y la seguridad de la batería. La uniformidad de la lechada determina la uniformidad de la distribución del material activo en el electrodo, lo que afecta la seguridad de la batería. La finura de la lechada es demasiado grande. Cuando la batería está cargada y descargada, habrá un gran cambio en la expansión y contracción del material del electrodo negativo y puede ocurrir precipitación de litio metálico; si la finura de la lechada es demasiado pequeña, la resistencia interna de la batería puede ser demasiado grande. Si la temperatura de calentamiento del revestimiento es demasiado baja o el tiempo de secado es insuficiente, el disolvente permanecerá y el aglutinante se disolverá parcialmente, provocando que algunos materiales activos se desprendan fácilmente; si la temperatura es demasiado alta, el aglutinante puede quemarse y el material activo puede caerse y provocar un cortocircuito interno de la batería.

5. El peligro de seguridad durante el uso de la batería

Deben usarse baterías de iones de litio para minimizar la sobrecarga o la descarga excesiva durante el uso. Especialmente para baterías con alta capacidad de monómero, las perturbaciones térmicas pueden causar una serie de reacciones colaterales exotérmicas, lo que genera problemas de seguridad.

En tercer lugar, indicadores de prueba de seguridad de la batería de iones de litio

Una vez producida la batería de iones de litio, es necesario realizar una serie de pruebas antes de llegar al consumidor para garantizar la seguridad de la batería y reducir el riesgo de seguridad.

1. Prueba de extrusión: Coloque la batería completamente cargada sobre una superficie plana, aplique una fuerza de presión de 13 ± 1KN mediante un cilindro hidráulico y apriete la batería con una varilla de acero de 32 mm de diámetro. Una vez que la presión de extrusión alcanza el tope máximo, la batería no se enciende, no explota.

2. Prueba de impacto: una vez que la batería está completamente cargada, se coloca sobre una superficie plana. La columna de acero con un diámetro de 15,8 mm se coloca verticalmente en el centro de la batería, y el peso de 9,1 kg se deja caer libremente desde la altura de 610 mm sobre la columna de acero sobre la batería. La batería no se puede disparar ni explotar.

3.Prueba de sobrecarga: la batería está completamente cargada con 1C, de acuerdo con la prueba de sobrecarga de 10V de sobrecarga de 3C, cuando la batería se sobrecarga, el voltaje aumenta a un cierto voltaje durante un cierto período de tiempo, el voltaje de la batería aumenta rápidamente cuando alcanza un cierto tiempo , cuando sube a Cuando el límite es alto, la tapa alta de la batería está rota, el voltaje cae a 0V y la batería no se incendia ni explota.

4. Prueba de cortocircuito: después de cargar completamente la batería, cortocircuite los terminales positivo y negativo de la batería con un cable con una resistencia de no más de 50 mΩ y pruebe la temperatura de la superficie de la batería. La temperatura máxima de la superficie de la batería es de 140 ° C. La tapa de la batería está abierta y la batería no se enciende ni explota.

5. Prueba de acupuntura: Coloque la batería completamente cargada sobre una superficie plana y perfore la batería radialmente con una aguja de acero de 3 mm de diámetro. La batería de prueba no se puede disparar ni explotar.

6. Prueba de ciclos de temperatura: La prueba de ciclos de temperatura de la batería de iones de litio se utiliza para simular la seguridad de las baterías de iones de litio durante el transporte repetido a entornos de baja y alta temperatura durante el transporte de la batería de iones de litio. La prueba consiste en utilizar temperaturas extremas y rápidas. El cambio está sucediendo. Después de la prueba, la muestra no debe encenderse, explotar ni tener fugas.

Cuarto, soluciones de seguridad para baterías de iones de litio

En vista de los muchos peligros de seguridad en el material, la fabricación y el uso de baterías de iones de litio, cómo mejorar las piezas que son propensas a problemas de seguridad es un problema que los fabricantes de baterías de iones de litio deben resolver.

1. Mejora la seguridad del electrolito.

Existe una alta reactividad entre el electrolito y los electrodos positivo y negativo. Especialmente a altas temperaturas, para mejorar la seguridad de la batería, es uno de los métodos más efectivos para mejorar la seguridad del electrolito. El peligro de seguridad del electrolito se puede resolver de manera eficaz agregando aditivos funcionales, utilizando nuevas sales de litio y nuevos disolventes.

De acuerdo con las diferentes funciones de los aditivos, se pueden dividir en los siguientes tipos: aditivos de protección de seguridad, aditivos formadores de películas, aditivos de protección de electrodos positivos, aditivos de sales de litio estables, aditivos precipitantes de litio, aditivos anticorrosivos portadores de corriente, y aditivos de infiltración mejorados.

Para mejorar el rendimiento de las sales comerciales de litio, los investigadores las han sustituido atómicamente y han obtenido muchos derivados. Entre ellos, los compuestos obtenidos mediante el uso de átomos sustituidos con perfluoroalquilo tienen muchas ventajas, como un alto punto de inflamación, una conductividad aproximada y una mayor resistencia al agua. , es un tipo de compuesto de sal de litio prometedor. Además, una sal de litio aniónica obtenida secuestrando un ligando de oxígeno con un átomo de boro como átomo central tiene una alta estabilidad térmica.

Para los solventes, muchos investigadores han propuesto una serie de nuevos solventes orgánicos, como carboxilatos y éteres orgánicos. Además, los líquidos iónicos también tienen un tipo de electrolito de alta seguridad, pero el uso relativamente común de electrolitos a base de carbonato, la viscosidad de los líquidos iónicos es órdenes de magnitud mayor, la conductividad y el coeficiente de autodifusión de iones son más bajos, y hay todavía queda mucho trabajo lejos del uso práctico.

2. Mejorar la seguridad de los materiales de los electrodos.

El fosfato de litio y hierro y los materiales compuestos ternarios se consideran materiales de cátodo excelentes, "seguros" y de bajo costo, y pueden ser ampliamente utilizados en la industria de vehículos eléctricos. Para el material del electrodo positivo, un método común para mejorar la seguridad es la modificación del revestimiento. Por ejemplo, el recubrimiento de la superficie del material del electrodo positivo con un óxido metálico puede evitar el contacto directo entre el material del electrodo positivo y el electrolito, inhibir el cambio de fase del material del electrodo positivo y mejorar su estabilidad estructural reduce el desorden de cationes en la red cristalina para reducir la generación de calor de reacciones secundarias.

Para el material del electrodo negativo, dado que la superficie es a menudo la más propensa a la descomposición química térmica y la exotermia en la batería de iones de litio, mejorar la estabilidad térmica de la película SEI es un método clave para mejorar la seguridad del material del electrodo negativo. La estabilidad térmica del material del electrodo negativo se puede mejorar mediante oxidación débil, deposición de metal y óxido de metal, recubrimiento de polímero o carbono.

3. Mejorar el diseño de protección de seguridad de la batería.

Además de mejorar la seguridad de los materiales de la batería, muchas medidas de protección de seguridad para baterías comerciales de iones de litio, como configurar válvulas de seguridad de la batería, fusibles termofusibles, conectar componentes con coeficiente de temperatura positivo en serie, usar diafragmas termosellados, carga especial Los circuitos de protección y los sistemas de gestión de baterías dedicados, etc., también son medios para mejorar la seguridad.

La página contiene el contenido de la traducción automática.