Будучи основним джерелом живлення для сучасних електронних пристроїв і електромобілів, літій-іонні акумулятори широко використовуються в смартфонах, електромобілях (EV) і персональних легких електромобілях (PLEV), таких як електро-скутери та електро-велосипеди. Незважаючи на такі переваги, як висока щільність енергії, тривалий термін служби та швидке заряджання, теплова розбіжність (TR) залишається найсерйознішою загрозою безпеці літій-іонних батарей. Коли температура акумулятора перевищує критичний поріг (зазвичай 150-180 градусів), він запускає неконтрольований цикл самонагрівання, вивільняючи велику кількість тепла та токсичних газів, що призводить до пожеж або навіть вибухів.
У зв’язку з частими випадками загоряння батареї PLEV стало особливо актуальним глибоке розуміння механізму розбігу тепла та вжиття профілактичних заходів. У цій статті буде проведено систематичний аналіз від механізму до рішень.
I. Сутні характеристики теплової розбігу
Теплова реакція – це ланцюгова хімічна реакція, яка відбувається, коли швидкість утворення тепла всередині літій-іонної батареї перевищує її здатність до розсіювання тепла, із характеристикою самопідтримуваного-прискорення, доки не буде витрачено всі горючі речовини в батареї. Його основні прояви включають:
1. Неконтрольоване підвищення температури
- Поріг спрацьовування: Екзотермічні реакції відбуваються між електролітом і електродними матеріалами при 150-180 градусах.
- Швидкість підвищення температури: тепло, що виділяється в результаті реакції, може призвести до підвищення температури вище 1000 градусів.
- Ризик розповсюдження: Високі температури можуть спричинити розповсюдження тепла в сусідніх елементах батареї.
2. Викид газу та розрив оболонки
- Склад газу: при розкладанні електроліту утворюються легкозаймисті та токсичні гази, такі як водень і монооксид вуглецю.
- Накопичення тиску: раптове підвищення внутрішнього тиску герметичної оболонки призводить до розриву.
- Вторинні лиха: викинуті гази можуть вибухнути при зустрічі з іскрами.
3. Пожежа та виділення токсичних газів
- Характеристики горіння: температура полум'я перевищує 1000 градусів, а матеріали катода розкладаються з вивільненням кисню, який підтримує горіння.
- Традиційний спосіб гасіння задушливої пожежі малоефективний, вимагає постійного контролю охолодження.
- Токсичні викиди: виділення корозійних газів, таких як плавикова кислота (HF), що шкодить дихальним трактам.
4. Механізм розповсюдження тепла
II. Аналіз чотирьох факторів, що сприяють виникненню тепла
1. Механічне зловживання
- Зіткнення та прокол: зовнішні сили спричиняють пошкодження сепаратора, що призводить до внутрішнього короткого замикання (наприклад, e-аварійне падіння автомобіля).
- Втома від вібрації: безперервна вібрація спричиняє мікро-тріщини в електродах, що збільшує ризик локального перегріву.
- Рекомендації щодо технічного захисту: у структурному проектуванні батарейних модулів використання високо-мідних смуг SMT може покращити механічну стабільність і зменшити мікро-пошкодження,-спричинені вібрацією.
2. Зловживання електрикою
- Перезарядження або надмірне розрядження спричиняє погіршення внутрішньої структури
- Overcharging (>4,2 В/елемент): літієве покриття на аноді утворює дендрити, які проникають у сепаратор.
- Над-розрядка (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Збій BMS: система керування батареєю працює несправно та не може запобігти ненормальним станам.
3. Термічне зловживання
- Висока температура навколишнього середовища: батареї піддаються впливу навколишнього середовища вище 60 градусів (наприклад, усередині транспортних засобів під інтенсивним сонячним світлом).
- Недостатнє розсіювання тепла: батареї в модулях розташовані надто щільно, що спричиняє накопичення тепла.
- Дефекти теплового керування: відсутність ефективної конструкції шляху розсіювання тепла.
4. Виробничі дефекти
- Металеві домішки: частки металу мікрон{0}}розміру, що залишаються в процесі виробництва, проникають у сепаратор.
- Дефекти сепаратора: нерівне покриття призводить до локального пошкодження ізоляції.
- Неякісні елементи: у підроблених акумуляторів відсутні запобіжні клапани (CID) і захист від позитивного температурного коефіцієнта (PTC).
Ⅲ. Технологічна система запобігання термічним відтокам
1. Удосконалення дизайну управління температурою
- Теплоізоляційні бар'єри: Керамічні покриття/аерогелеві матеріали використовуються для затримки поширення тепла.
- Системи охолодження: електромобілі: циркуляційні трубопроводи рідинного охолодження; PLEVs: покращені радіатори + дизайн повітряного охолодження.
- Структурна оптимізація: на рівні модуля розумне розташування мідних смуг SMT з високою теплопровідністю може створити ефективні бічні шляхи розсіювання тепла та в поєднанні з матеріалами зі зміною фази покращити тепловий баланс.
2. Інтелектуальна система керування батареєю (BMS)
- Потрійний моніторинг:-виявлення напруги, струму та температури в реальному часі.
- Активний захист: автоматичне-вимкнення при перезарядженні/пере-розрядженні; Динамічне балансування напруг комірки.
- Механізм раннього попередження: бездротова передача аномальних сигналів тривоги.
3. Іскробезпечні матеріали
Порівняння різних матеріалів акумулятора
4. Заходи захисту-користувача
- Специфікації зарядки: використовуйте оригінальні зарядні пристрої; Уникайте нічної зарядки; Підтримуйте рівень заряду від 20% до 80%.
- Вимоги до зберігання: прохолодне та вентильоване середовище, подалі від легкозаймистих речовин.
- Ідентифікація аномалій: Негайно припиніть використання, якщо виявлено опуклість або специфічний запах.
Ⅳ. Передові-технології моніторингу
- Нормативні стандарти: Застосування сертифікатів безпеки, таких як UL 2271 та IEC 62619.
- Обов'язки виробника: Створення системи відстеження клітин; Виключіть циркуляцію неякісних батарей.
- Технологічні інновації: просувати технологію терміналів лазерного зварювання для забезпечення надійності електричних з’єднань і зменшення локального перегріву, спричиненого контактним опором.
Ⅴ.Висновок
У зв’язку зі швидким розвитком індустрії електричного транспорту та накопичення енергії запобігання перегріву літій-іонної батареї вимагає багато-співпраці в дослідженнях і розробці матеріалів, інженерному проектуванні та навчанні користувачів. Завдяки оптимізації проектів управління температурою (наприклад, схеми теплопровідності мідної смуги SMT), популяризуючи інтелектуальні системи BMS і просуваючи безпечні хімічні системи, такі як LFP, ми можемо створити більш надійну екосистему зберігання енергії.
