Зрозумійте технологію безпеки літієвої батареї з трьох аспектів: матеріал, конструкція та процес
Шкода літій-іонних батарей
Літій-іонні акумулятори є потенційно небезпечним хімічним джерелом живлення через свої хімічні характеристики та склад системи.
(1). Висока хімічна активність
Літій є основним елементом I групи другого періоду періодичної системи елементів і має надзвичайно активні хімічні властивості.
(2). Висока щільність енергії
Літій-іонні батареї мають надзвичайно високу питому енергію (більше або дорівнює 140 Вт·год/кг), у кілька разів більшу, ніж у вторинних батарей, таких як нікель-кадмієві та нікель-водневі. Теплова реакція вивільняє тепло і може призвести до небезпечної поведінки.
(3). Використання системи органічного електроліту
Органічним розчинником системи органічних електролітів є вуглеводень, який має низьку напругу розкладання і схильний до окислення. Розчинник також легкозаймистий; батарея загориться, згорить або вибухне, якщо станеться витік.
(4). Висока ймовірність побічних реакцій
Під час нормального використання літій-іонних акумуляторів усередині відбуваються позитивні хімічні реакції, під час яких електрична та хімічна енергія перетворюються одна на одну. Однак за певних умов, таких як перезарядження, надмірне розрядження або робота над струмом, можна легко спричинити хімічні побічні реакції всередині акумулятора. Коли ця побічна реакція посилюється, це серйозно вплине на продуктивність і термін служби акумулятора. Може утворитися велика кількість газу, що призведе до швидкого підвищення тиску всередині батареї, а потім вибуху та загоряння, що спричинить проблеми з безпекою.
(5). Структура матеріалу електрода нестабільна
Реакція перезаряджання літій-іонних акумуляторів змінює структуру матеріалу катода, спричиняючи сильний окислювальний ефект матеріалу та сильне окислення розчинника в електроліті. цей ефект є незворотнім, і якщо тепло, викликане реакцією, накопичується, існує ризик теплового розбігу.
Аналіз причин проблем безпеки літій-іонних батарей
Після 30 років промислового розвитку літій-іонних акумуляторів технології безпеки досягли значного прогресу, ефективно контролюючи виникнення побічних реакцій в акумуляторі та забезпечуючи безпеку акумулятора. Однак, оскільки літій-іонні батареї використовуються все ширше, а їх щільність енергії стає все вищою і вищою, останніми роками часто трапляються такі інциденти, як вибухи та травми або відкликання продукції через загрозу безпеці. Нижче наведено основні причини, які викликають проблеми з безпекою літій-іонних батарей:
1. Проблеми з матеріалом сердечника батареї
Матеріали, що використовуються в сердечнику батареї, включають позитивний активний матеріал, негативний активний матеріал, сепаратор, електроліт і оболонку тощо. Вибір матеріалів і відповідність складеної системи визначають безпечність серцевини батареї. Вибираючи позитивні та негативні активні матеріали та матеріали сепараторів, виробник не провів певної оцінки характеристик і відповідності сировини, що призвело до властивих недоліків безпеки елементів батареї.
2. Проблеми виробничого процесу
Сировина елементів акумулятора не проходить сувору перевірку. Виробниче середовище є поганим, що призводить до змішування домішок у виробництві, що не тільки має великий недолік для ємності батареї, але також має великий вплив на безпеку батареї; крім того, якщо до електроліту додано занадто багато вологи, це може спричинити побічні реакції підвищення внутрішнього тиску батареї, що вплине на безпеку; через обмеження на рівні виробничого процесу продукт не може досягти належної консистенції під час виробничого процесу елементів батареї, наприклад, погана площина основи електрода, такі проблеми, як відпадання активних матеріалів електродів, змішування інших домішок в активних матеріалах , слабке зварювання лапок, нестабільна температура зварювання, задирки на краях полюсних наконечників і невикористання ізоляційної стрічки на ключових частинах можуть вплинути на безпеку сердечника батареї. негативний ефект.
3. Дефекти конструкції сердечника батареї та зниження продуктивності безпеки
З точки зору конструктивного дизайну, багато ключових моментів, які впливають на безпеку, не сприймаються серйозно виробниками, наприклад, відсутність ізоляційної стрічки в ключових частинах, конструкція сепаратора не залишає запасу або недостатньо запасу, ємність позитивного та негативного електродів. Конструкція співвідношення є необґрунтованою, а активність позитивного та негативного електродів. Конструкція співвідношення площі матеріалу є необґрунтованою, конструкція довжини вкладки є необґрунтованою тощо, що може становити приховану небезпеку для безпеки батареї. Крім того, у процесі виробництва акумуляторних елементів, щоб заощадити кошти та підвищити продуктивність, деякі виробники акумуляторів намагаються заощадити та стиснути сировину, наприклад зменшити площу діафрагми, потоншити мідну фольгу та алюмінієву фольгу та не використовувати клапани скидання тиску. та ізоляційні стрічки тощо, вони знижують безпеку батареї.
4. Щільність енергії занадто висока
Ринок шукає акумулятори більшої ємності. Щоб підвищити конкурентоспроможність продукції, виробники продовжують збільшувати об’ємну питому енергію літій-іонних акумуляторів, що значно підвищує ризик акумуляторів.
Технологія безпеки
Незважаючи на те, що літій-іонні батареї мають багато прихованих небезпек, за певних умов використання та вжиття певних заходів появу побічних і бурхливих реакцій у клітинах можна ефективно контролювати для забезпечення їх безпеки. Нижче наведено короткий опис кількох поширених технологій безпеки для літій-іонних батарей.
Вибирайте сировину з вищим коефіцієнтом безпеки
Вибирайте позитивні та негативні активні матеріали, матеріали сепараторів та електроліти з вищими коефіцієнтами безпеки.
а) Вибір матеріалів катода
Безпека катодних матеріалів в основному базується на таких трьох аспектах:
1. Термодинамічна стабільність матеріалу;
2. Хімічна стійкість матеріалів;
3. Фізичні властивості матеріалів.
б) Вибір матеріалів діафрагми
Основною функцією сепаратора є розділення позитивних і негативних електродів батареї, щоб запобігти контакту позитивних і негативних електродів і викликати коротке замикання. У той же час він має здатність пропускати іони електроліту, тобто має електронну ізоляцію та іонну провідність. При виборі сепараторів для літій-іонних акумуляторів слід звернути увагу на наступні моменти:
1. Має електронну ізоляцію та забезпечує механічну ізоляцію позитивного та негативного електродів;
2. Він має певний розмір пор і пористість для забезпечення низького опору та високої іонної провідності;
3. Матеріал діафрагми має достатню хімічну стабільність і повинен бути стійким до електролітної корозії;
4. Мембрана повинна мати функцію захисту від автоматичного відключення;
5. Термічна усадка і деформативність діафрагми повинні бути якомога меншими;
6 Діафрагма повинна мати певну товщину;
7 Діафрагма повинна мати високу фізичну міцність і достатню стійкість до проколів.
в) Вибір електроліту
Електроліт є важливим компонентом літій-іонних акумуляторів і відіграє роль у транспортуванні та проведенні струму між позитивним і негативним електродами акумулятора. Електроліт, який використовується в літій-іонних батареях, — це розчин електроліту, утворений шляхом розчинення відповідної солі літію в органічному апротонному змішаному розчиннику. Зазвичай він повинен відповідати таким вимогам:
1. Хороша хімічна стабільність, відсутність хімічної реакції з активними матеріалами електродів, струмоприймачами та сепараторами;
2. Хороша електрохімічна стабільність і широке електрохімічне вікно;
3 Іони літію мають високу провідність і низьку електронну провідність;
4. Широкий діапазон температур рідини;
5. Безпечний, нетоксичний та екологічно чистий.
Посилити загальну конструкцію безпеки акумуляторних елементів
Ядро батареї – це ланка, яка поєднує різні матеріали в батареї. Він об’єднує позитивний електрод, негативний електрод, сепаратор, вкладку та пакувальну плівку. Конструкція сердечника батареї впливає не тільки на продуктивність різних матеріалів, але й на загальну продуктивність батареї. Електрохімічні характеристики та показники безпеки мають важливий вплив. Вибір матеріалів і конструкція сердечника батареї знаходяться в частковому та загальному взаємозв’язку. Характеристики матеріалу повинні бути об’єднані в конструкції ядра батареї, щоб сформулювати розумну структурну модель.
Крім того, у структурі літієвої батареї також можна розглянути деякі додаткові пристрої захисту. Загальні конструкції механізмів захисту включають наступне:
1. Використовуючи комутаційні елементи, коли температура всередині батареї підвищується, відповідно зростає її опір. Коли температура занадто висока, електроживлення буде автоматично зупинено;
2. Встановіть запобіжний клапан (вентиляційний отвір у верхній частині батареї). Коли внутрішній тиск батареї підвищується до певного значення, запобіжний клапан автоматично відкривається, щоб забезпечити її безпеку.
Нижче наведено кілька прикладів безпеки конструкцій елементів акумулятора:
a) Співвідношення ємності позитивних і негативних електродів і проектний розмір мікросхеми
Виберіть відповідне співвідношення ємності позитивного та негативного електродів на основі характеристик матеріалів позитивного та негативного електродів. Співвідношення ємності позитивного та негативного електродів сердечника батареї є важливою ланкою, пов’язаною з безпекою літій-іонної батареї. Якщо ємність позитивного електрода занадто велика, на поверхні негативного електрода з’явиться металевий літій. осадження, і якщо негативний електрод занадто великий, ємність акумулятора зазнає більшої втрати. Загалом, N/P=1.05~1.15 і відповідний вибір зроблено на основі фактичної ємності акумулятора та вимог безпеки. Розмір шматка розрахуйте таким чином, щоб паста негативного електрода (активний матеріал) перекривала (була більшою за) позицію пасти позитивного електрода. Як правило, ширина має бути на 1-5 мм більшою, а довжина – на 5-10 мм більшою.
б) Надбавка на ширину діафрагми
Загальний принцип конструкції сепаратора по ширині полягає в запобіганні внутрішнім коротким замиканням, викликаним прямим контактом між позитивним і негативним електродами. Через термічну усадку сепаратора під час заряджання та розряджання батареї, а також під час термічного удару та інших середовищ сепаратор деформуватиметься в довжині та ширині, а сепаратор буде. відстань між позитивним і негативним електродами; розтягнута площа сепаратора збільшує можливість мікрозамикання через потоншення сепаратора; усадка краю сепаратора може призвести до прямого контакту позитивного та негативного електродів. Через контакт виникає внутрішнє коротке замикання, що спричинить небезпеку для батареї через витік тепла. Тому при проектуванні батареї необхідно враховувати характеристики усадки сепаратора при використанні площі та ширини. Сепаратор більший за анод і катод. Враховуючи помилки процесу, ізоляційна плівка має бути принаймні на 0,1 мм довшою за зовнішній край полюсного наконечника.
в) Ізоляційна обробка
Внутрішнє коротке замикання є важливим фактором безпеки літій-іонних батарей. У структурі елемента батареї багато потенційно небезпечних частин можуть спричинити внутрішнє коротке замикання. Тому в цих ключових місцях необхідно вжити необхідних заходів або ізолювати, щоб запобігти виникненню внутрішнього короткого замикання за ненормальних обставин. Наприклад, якщо коротке замикання відбувається всередині батареї, дотримуйтеся необхідної відстані між вушками позитивного та негативного електродів; наклеїти ізоляційну стрічку на фінішну одну сторону без пасти в середині та закрити всі відкриті частини; накласти ізоляційну стрічку між позитивною алюмінієвою фольгою та негативним активним матеріалом; застосування Ізоляційна стрічка покриває всі зварювальні частини вкладок; на верхній частині сердечника батареї використовується ізоляційна стрічка.
d) Встановіть запобіжний клапан (пристрій для скидання тиску)
Літій-іонні батареї часто знаходяться в небезпеці, оскільки внутрішня температура або тиск занадто високі, що спричиняє вибухи або пожежі; встановлення відповідного пристрою для скидання тиску може швидко скинути тиск і тепло всередині акумулятора, коли виникає небезпека, зменшуючи ризик вибуху. Потрібен пристрій для скидання тиску, який відповідає внутрішньому тиску батареї під час нормальної роботи та автоматично відкривається для скидання тиску, коли внутрішній тиск досягає небезпечної межі. Встановлюючи положення пристрою скидання тиску, слід враховувати вплив збільшення внутрішнього тиску в корпусі батареї. Розроблені на основі характеристик деформації, запобіжні клапани можуть бути розроблені через ламелі, краї, шви та виїмки.
Підвищити технологічний рівень
Необхідно докласти зусиль для стандартизації процесу виробництва акумуляторних елементів. На етапах змішування, покриття, запікання, ущільнення, різання та намотування стандартизуйте (такі як ширина діафрагми, об’єм впорскування електроліту тощо) та вдосконаліть методи процесу (такі як метод впорскування під низьким тиском, відцентрове завантаження тощо) метод «Шелл» тощо), якісно керувати процесом, забезпечувати якість процесу та зменшувати відмінності між продуктами; встановити спеціальні етапи процесу на ключових етапах, які впливають на безпеку (наприклад, видалення задирок з електродної пластини, змітання порошку та використання різних методів зварювання для різних матеріалів), методи тощо), запровадити стандартизований контроль якості, усунути дефектні частини та виключити дефектні вироби (такі як деформація полюсного наконечника, прокол діафрагми, відпадання активного матеріалу, витік електроліту тощо); тримайте виробничий майданчик охайним і чистим, а також запроваджуйте управління 5S і контроль якості 6 -sigma, щоб запобігти змішуванню домішок і вологи під час виробництва та мінімізувати вплив нещасних випадків на безпеку під час виробництва.
