La sécurité et la solution de la batterie au lithium
Avec la popularisation des téléphones portables, des produits numériques et des véhicules électriques, les batteries lithium-ion jouent un rôle de plus en plus important dans la vie des gens. Les problèmes d'utilisation tels qu'une faible densité énergétique et une durée de vie limitée sont souvent critiqués. Cependant, par rapport à ces problèmes, la sécurité des batteries au lithium est au centre de l'attention.
Ces dernières années, les accidents causés par des problèmes de sécurité des batteries abondent et les conséquences de nombreux problèmes sont choquantes, comme l'incendie de la batterie au lithium du Boeing 787 Dreamliner qui a choqué l'industrie, et l'incendie et l'explosion à grande échelle de la batterie. sur le Samsung Galaxy Note 7. La sécurité des batteries lithium-ion a une nouvelle fois sonné l'alarme.
La composition et le principe de fonctionnement d'une batterie lithium-ion
Les batteries lithium-ion sont principalement composées d'une électrode positive, d'une électrode négative, d'un électrolyte, d'un séparateur, d'une connexion externe et de composants d'emballage. Parmi eux, l'électrode positive et l'électrode négative contiennent des matériaux d'électrode actifs, des agents conducteurs, des liants, etc., qui sont uniformément enduits sur les collecteurs de courant en feuille de cuivre et en feuille d'aluminium.
Le potentiel d'électrode positive des batteries lithium-ion est relativement élevé, souvent des oxydes de métaux de transition intercalés au lithium, ou des composés polyanioniques, tels que cobaltate de lithium, manganate de lithium, ternaire, phosphate de fer lithium, etc. Les matériaux négatifs de la batterie lithium-ion sont généralement des matériaux en carbone, tels que le graphite et le carbone non graphité; L'électrolyte de batterie au lithium-ion est principalement une solution non aqueuse, composée de solvant mixte organique et de sel de lithium, le solvant est principalement un solvant organique tel que l'acide carbonique et le sel de lithium est principalement un sel de lithium polyanionique monovalent, tel que l'hexafluorophosphate de lithium, etc. Les séparateurs de batterie lithium-ion sont principalement des membranes microporeuses en polyéthylène et polypropylène, qui isolent les matériaux positifs et négatifs, empêchent les courts-circuits causés par le passage des électrons et permettent le passage des ions dans l'électrolyte.
Pendant le processus de charge, à l'intérieur de la batterie, le lithium est extrait de l'électrode positive sous forme d'ions, transporté par l'électrolyte à travers le diaphragme, et noyé dans l'électrode négative ; à l'extérieur de la batterie, les électrons migrent du circuit externe vers l'électrode négative. Dans le processus de décharge : les ions lithium à l'intérieur de la batterie sont extraits de l'électrode négative, traversent le diaphragme et sont intégrés dans l'électrode positive ; à l'extérieur de la batterie, les électrons migrent du circuit externe vers l'électrode positive. Avec charge et décharge, c'est"ion lithium" qui migre entre les batteries au lieu de l'élément"lithium", donc la batterie est appelée"lithium ion battery".
Deuxièmement, les risques pour la sécurité des batteries lithium-ion
De manière générale, les problèmes de sécurité des batteries lithium-ion se manifestent par des brûlures voire des explosions. La cause première de ces problèmes est l'emballement thermique à l'intérieur de la batterie. En outre, certains facteurs externes, tels que surcharge, incendie, compression, perforation et court-circuit. D'autres problèmes peuvent également entraîner des problèmes de sécurité. Les batteries lithium-ion génèrent de la chaleur pendant la charge et la décharge. Si la chaleur générée dépasse la capacité de dissipation thermique de la batterie, la batterie lithium-ion surchauffera et le matériau de la batterie décomposera le film SEI, la décomposition de l'électrolyte, la décomposition de l'électrode positive, l'électrode négative et les réactions secondaires destructives telles que la réaction de l'électrolyte et la réaction de l'électrode négative et du liant.
1 Les dangers pour la sécurité des matériaux cathodiques
Lorsque la batterie lithium-ion est utilisée de manière incorrecte, la température interne de la batterie augmentera et le matériau actif du matériau de l'électrode positive sera décomposé et l'électrolyte sera oxydé. Dans le même temps, ces deux réactions peuvent générer beaucoup de chaleur, entraînant une augmentation supplémentaire de la température de la batterie. Des états de délithiation différents ont des effets très différents sur la transformation réticulaire de la matière active, la température de décomposition et la stabilité thermique de la batterie.
2 Les dangers pour la sécurité des matériaux d'anode
Le matériau de l'électrode négative utilisé au début était du lithium métallique, et la batterie assemblée était susceptible de produire des dendrites de lithium après des charges et des décharges répétées, qui perceraient ensuite le diaphragme, provoquant un court-circuit, une fuite et même une explosion. Les composés d'intercalation au lithium peuvent efficacement éviter la génération de dendrites au lithium et améliorer considérablement la sécurité des batteries lithium-ion. Lorsque la température augmente, l'électrode négative en carbone dans l'état d'intercalation du lithium réagit d'abord de manière exothermique avec l'électrolyte. Dans les mêmes conditions de charge et de décharge, la vitesse de dégagement de chaleur de la réaction entre l'électrolyte et le graphite artificiel intercalé au lithium est bien supérieure à celle de la réaction avec les microsphères de carbone mésophase intercalées au lithium, les fibres de carbone, le coke, etc.
3 Les risques de sécurité du diaphragme et de l'électrolyte
L'électrolyte de la batterie lithium-ion est une solution mixte de sel de lithium et de solvant organique. Le sel de lithium commercial est l'hexafluorophosphate de lithium. La stabilité thermique de l'électrolyte. Le solvant organique de l'électrolyte est le carbonate, qui a un point d'ébullition et un point d'éclair bas, et est facile à réagir avec le sel de lithium pour libérer le PF5 à haute température, et est facile à oxyder.
4 Risques cachés pour la sécurité dans le processus de fabrication
Au cours du processus de fabrication des batteries lithium-ion, des processus tels que la fabrication des électrodes et l'assemblage de la batterie auront un impact sur la sécurité de la batterie. Le contrôle qualité de divers processus tels que le mélange des électrodes positives et négatives, le revêtement, le laminage, la découpe ou le poinçonnage, l'assemblage, le remplissage d'électrolyte, le scellement et le formage affectent tous les performances et la sécurité de la batterie. L'uniformité de la suspension détermine l'uniformité de la répartition du matériau actif sur l'électrode, affectant ainsi la sécurité de la batterie. Si la finesse de la suspension est trop grande, le matériau de l'électrode négative subira des changements relativement importants pendant la charge et la décharge, et la précipitation du lithium métallique peut se produire ; si la finesse de la suspension est trop petite, la résistance interne de la batterie sera trop grande. Si la température de chauffage du revêtement est trop basse ou si le temps de séchage est insuffisant, le solvant restera et le liant sera partiellement dissous, ce qui entraînera le pelage facile de certaines matières actives ; une température trop élevée peut provoquer la carbonisation du liant, et les matières actives peuvent tomber et provoquer des courts-circuits internes dans la batterie.
5 dangers potentiels pour la sécurité lors de l'utilisation de la batterie
Les batteries lithium-ion doivent minimiser la surcharge ou la décharge excessive pendant l'utilisation. En particulier pour les batteries à haute capacité en monomères, les perturbations thermiques peuvent provoquer une série de réactions secondaires exothermiques, entraînant des problèmes de sécurité.
Trois indicateurs de test de sécurité de la batterie lithium-ion
Une fois la batterie lithium-ion produite, avant qu'elle n'atteigne le consommateur, une série de tests sont nécessaires pour garantir autant que possible la sécurité de la batterie et réduire les risques potentiels pour la sécurité.
1. Test de compression : placez la batterie complètement chargée sur une surface plane, appliquez une pression de 13 ± 1 KN à l'aide d'un vérin hydraulique et pressez la batterie de la surface plane d'une tige d'acier d'un diamètre de 32 mm. Une fois que la pression de compression atteint la butée maximale Squeeze, la batterie ne prend pas feu, il suffit de ne pas exploser'.
2. Test d'impact : une fois la batterie complètement chargée, placez-la sur une surface plane, placez une colonne en acier d'un diamètre de 15,8 mm verticalement au centre de la batterie et déposez librement un poids de 9,1 kg d'une hauteur de 610 mm sur la colonne en acier au-dessus de la batterie. La batterie ne prend pas feu et n'explose pas.
3. Test de surcharge : chargez complètement la batterie avec 1C et effectuez un test de surcharge selon la surcharge 3C 10V. Lorsque la batterie est surchargée, la tension monte jusqu'à une certaine tension et se stabilise pendant un certain temps. Lorsqu'il est proche d'une certaine période de temps, la tension de la batterie augmente rapidement. Lorsqu'une certaine limite est atteinte, le capuchon supérieur de la batterie est retiré, la tension chute à 0 V et la batterie ne prend pas feu et n'explose pas.
4. Test de court-circuit : une fois la batterie complètement chargée, les électrodes positive et négative de la batterie sont court-circuitées avec un fil d'une résistance ne dépassant pas 50 mΩ et la température de surface de la batterie est testée. La température maximale de la surface de la batterie est de 140℃. Le couvercle de la batterie est ouvert et la batterie ne prend pas feu ou n'explose pas. .
5. Test d'acupuncture : placez la batterie complètement chargée sur une surface plane et percez la batterie dans le sens radial avec une aiguille en acier d'un diamètre de 3 mm. La batterie de test ne prend pas feu et n'explose pas.
6. Test de cycle de température : Le test de cycle de température de la batterie lithium-ion est utilisé pour simuler la sécurité de la batterie lithium-ion lorsqu'elle est exposée à plusieurs reprises à un environnement à basse et haute température pendant le transport ou le stockage. Le test consiste à utiliser des changements de température rapides et extrêmes. Après le test, l'échantillon ne doit pas prendre feu, exploser ou fuir.
Quatre solutions de sécurité pour batteries lithium-ion
Compte tenu des nombreux risques de sécurité cachés des batteries lithium-ion dans le matériau, le processus de fabrication et d'utilisation, comment améliorer les pièces sujettes à des problèmes de sécurité est un problème que les fabricants de batteries lithium-ion doivent résoudre.
1 Améliorer la sécurité de l'électrolyte
Il existe une activité de réaction élevée entre l'électrolyte et les électrodes positive et négative, en particulier à haute température. Afin d'améliorer la sécurité de la batterie, l'amélioration de la sécurité de l'électrolyte est l'une des méthodes les plus efficaces. Les risques potentiels de sécurité de l'électrolyte peuvent être efficacement résolus en ajoutant des additifs fonctionnels, en utilisant de nouveaux sels de lithium et en utilisant de nouveaux solvants.
Selon les différentes fonctions des additifs, ils peuvent être répartis dans les catégories suivantes : additifs de protection de sécurité, additifs filmogènes, additifs de protection d'électrode positive, additifs stabilisants au sel de lithium, additifs favorisant la précipitation du lithium, additifs anticorrosifs collecteurs de courant et additifs améliorant la mouillabilité .
Afin d'améliorer les performances des sels de lithium commerciaux, les chercheurs y ont substitué des atomes et obtenu de nombreux dérivés. Parmi eux, les composés obtenus en substituant des atomes par des groupes perfluoroalkyle présentent de nombreux avantages tels qu'un point d'éclair élevé, une conductivité similaire et une résistance à l'eau améliorée. , Est une sorte de composé de sel de lithium avec de grandes perspectives d'application. De plus, le sel de lithium anionique obtenu en chélatant l'atome de bore avec le ligand oxygène présente une stabilité thermique élevée.
Concernant les solvants, de nombreux chercheurs ont proposé une série de nouveaux solvants organiques, tels que les esters d'acide carboxylique et les éthers organiques. De plus, les liquides ioniques ont également une classe d'électrolytes avec une sécurité élevée, mais des électrolytes à base de carbonate relativement couramment utilisés. La viscosité des liquides ioniques est de plusieurs ordres de grandeur plus élevée, et la conductivité et le coefficient d'autodiffusion des ions sont faibles. Il y a encore beaucoup de travail avant la praticité. À faire.
2 Améliorer la sécurité des matériaux d'électrode
Le phosphate de fer lithium et les matériaux composites ternaires sont considérés comme peu coûteux,"excellente sécurité" matériaux cathodiques, et peut être popularisé dans l'industrie des véhicules électriques. Pour le matériau d'électrode positive, la méthode courante pour améliorer sa sécurité est la modification du revêtement. Par exemple, le revêtement de surface du matériau d'électrode positive avec un oxyde métallique peut empêcher le contact direct entre le matériau d'électrode positive et l'électrolyte, inhiber le changement de phase du matériau d'électrode positive et améliorer sa stabilité structurelle réduit le désordre des cations dans le réseau cristallin pour réduire la génération de chaleur par des réactions secondaires.
Pour le matériau de l'électrode négative, étant donné que la surface est souvent la plus sujette à la décomposition thermochimique et à la génération de chaleur dans la batterie lithium-ion, l'amélioration de la stabilité thermique du film SEI est une méthode clé pour améliorer la sécurité du matériau de l'électrode négative. Grâce à une faible oxydation, un dépôt de métal et d'oxyde métallique, un revêtement de polymère ou de carbone, la stabilité thermique du matériau d'électrode négative peut être améliorée.
3 Conception améliorée de la protection de la sécurité de la batterie
En plus d'améliorer la sécurité des matériaux de la batterie, les batteries lithium-ion commerciales adoptent de nombreuses mesures de protection de sécurité, telles que le réglage de soupapes de sécurité de batterie, des fusibles thermiques, la connexion de composants avec des coefficients de température positifs en série, l'utilisation de membranes thermoscellées, le chargement de circuits de protection dédiés, et le système de gestion de batterie dédié, etc., est également un moyen d'améliorer la sécurité.
Fournisseur de cinq solutions de sécurité pour batteries lithium-ion
La sécurité des batteries lithium-ion attirant de plus en plus l'attention, de nombreuses entreprises ont mené des travaux de recherche et développement spécifiquement sur les risques potentiels pour la sécurité des batteries lithium-ion et ont proposé des solutions de sécurité efficaces pour les batteries.
En tant que premier chercheur de la technologie d'avertissement et de sécurité contre l'emballement thermique des batteries domestiques et pionnier du dispositif d'extinction automatique d'incendie spécial pour les boîtiers de batterie, Chuangwei New Energy a été le pionnier du&"modèle d'emballement thermique de la batterie lithium-ion &", qui favorisé la surveillance de l'emballement thermique du boîtier de la batterie et l'extinction automatique des incendies. Application à grande échelle de la technologie.
Le"Modèle d'emballement thermique de batterie lithium-ion" est divisé en trois dimensions : verticale, horizontale et verticale. La direction verticale est la redondance des données de plusieurs capteurs, c'est-à-dire que plusieurs ensembles de données de capteurs sous le même environnement sont adaptés pour simuler la courbe de caractérisation des données de différents matériaux et différents environnements ; la direction horizontale est l'algorithme en temps continu pour les données historiques du capteur afin d'éliminer le bruit Les interférences résolvent efficacement les problèmes de fausses alarmes, de fausses alarmes et de retard d'alerte précoce dans la méthode du seuil ; la perforation verticale, l'accumulation d'aiguilles émoussées et d'autres méthodes sont utilisées pour simuler le processus d'emballement thermique de différents types de batteries d'alimentation.
Grâce à la fusion tridimensionnelle, des méthodes mathématiques, basées sur un grand nombre d'expériences et de données d'exploitation réelles, la relation interne entre diverses variables causées par l'emballement thermique est résumée et des principes neurologiques sont utilisés pour former un système extrêmement précoce, très fiable et autonome. -exploitation"ion lithium" Modèle d'emballement thermique de la batterie" réalise une alerte précoce et un contrôle intelligent des dangers cachés dans la durée de vie de la batterie.
Un grand nombre d'exemples d'alerte précoce survenus dans le fonctionnement réel du véhicule ont prouvé l'efficacité et l'avancement de ce modèle, ce qui en fait la technologie de base de l'alerte d'emballement thermique du boîtier de batterie et de l'extinction automatique d'incendie.
La batterie de Shenzhen Benwei est une entreprise de haute technologie spécialisée dans l'amp; D R &, la production et la vente de batteries lithium-ion. Ses domaines d'application de produits couvrent: les batteries au lithium de véhicules électriques, les batteries au lithium, les batteries au lithium de stockage d'énergie, etc. La société et les fabricants de cellules de batterie maintiennent une relation de coopération à long terme et appliquent les dernières réalisations et concepts technologiques à l'ensemble de la série de produits processus de développement. L'atelier de fabrication est équipé d'équipements de production avancés et d'instruments de test de première classe. Dans le même temps, il dispose d'un groupe d'équipes professionnelles de production et de gestion de la qualité, strictement à chaque étape du lien de production, et grâce à l'optimisation et à l'amélioration continues du processus pour assurer la sécurité de la batterie.
