Kot glavni vir energije za sodobne elektronske naprave in električna vozila se litij-ionske baterije široko uporabljajo v pametnih telefonih, električnih vozilih (EV) in osebnih lahkih električnih vozilih (PLEV), kot so e-skuterji in e-kolesa. Kljub prednostim visoke energijske gostote, dolge življenjske dobe in hitrega polnjenja toplotni umik (TR) ostaja največja varnostna nevarnost litij-ionskih baterij. Ko temperatura baterije preseže kritični prag (običajno 150-180 stopinj), sproži nenadzorovan cikel samosegrevanja, pri čemer se sprosti velika količina toplote in strupenih plinov, kar povzroči požar ali celo eksplozijo.
Zaradi pogostega pojava požarnih nesreč baterije PLEV je postalo še posebej nujno poglobljeno razumevanje mehanizma toplotnega uhajanja in sprejetje preventivnih ukrepov. Ta članek bo izvedel sistematično analizo od mehanizma do rešitev.
I. Bistvene značilnosti toplotnega uhajanja
Toplotni beg je verižna kemična reakcija, do katere pride, ko stopnja proizvodnje toplote v litij-ionski bateriji preseže njeno zmogljivost odvajanja toplote, z značilnostjo samozadostnega pospeševanja-, dokler niso porabljene vse gorljive snovi v bateriji. Njegove glavne manifestacije vključujejo:
1. Nenadzorovan dvig temperature
- Sprožilni prag: Eksotermne reakcije se pojavijo med elektrolitom in materialom elektrode pri 150-180 stopinjah.
- Hitrost dviga temperature: toplota, ki se sprošča pri reakciji, lahko povzroči dvig temperature nad 1000 stopinj.
- Tveganje širjenja: Visoke temperature lahko povzročijo širjenje toplote v sosednjih baterijskih celicah.
2. Izbruh plina in razpoka lupine
- Sestava plina: Pri razgradnji elektrolita nastajajo vnetljivi in strupeni plini, kot sta vodik in ogljikov monoksid.
- Akumulacija tlaka: Nenadno povečanje notranjega tlaka zaprte lupine vodi do zloma.
- Sekundarne nesreče: Izbruhani plini lahko eksplodirajo, ko naletijo na iskre.
3. Požar in sproščanje strupenih plinov
- Lastnosti zgorevanja: Temperatura plamena presega 1000 stopinj in katodni materiali se razgradijo, da se sprosti kisik, ki podpira gorenje.
- Tradicionalna metoda gašenja požara z zadušitvijo je neučinkovita in zahteva stalno kontrolo hlajenja.
- Strupene emisije: sproščanje jedkih plinov, kot je fluorovodikova kislina (HF), ki škoduje dihalnemu traktu.
4. Mehanizem toplotnega širjenja
II. Analiza štirih indukcijskih dejavnikov za toplotni umik
1. Mehanska zloraba
- Trčenje in predrtje: Zunanje sile povzročijo poškodbe separatorja, kar vodi do notranjih kratkih stikov (npr. e-nesreče zaradi padca vozila).
- Utrujenost zaradi vibracij: Nenehne vibracije povzročajo mikro-razpoke v elektrodah, kar povečuje tveganje lokalnega pregrevanja.
- Predlogi za inženirsko zaščito: Pri strukturni zasnovi baterijskih modulov lahko uporaba -povezav bakrenega traku SMT visoke trdnosti izboljša mehansko stabilnost in zmanjša-mikro-poškodbe, ki jih povzročajo vibracije.
2. Električna zloraba
- Prekomerno polnjenje ali prekomerno praznjenje povzroči poslabšanje notranje strukture
- Overcharging (>4,2 V/celico): Litijeva prevleka na anodi tvori dendrite, ki predrejo separator.
- Pre-praznjenje (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Napaka BMS: sistem za upravljanje baterije ne deluje pravilno in ne more preprečiti nenormalnih stanj.
3. Toplotna zloraba
- Visoka temperatura okolja: Baterije so izpostavljene okolju nad 60 stopinj (npr. v vozilih pod močno sončno svetlobo).
- Nezadostno odvajanje toplote: Baterije v modulih so zložene pregosto, kar povzroča kopičenje toplote.
- Napake pri toplotnem upravljanju: pomanjkanje učinkovite zasnove poti odvajanja toplote.
4. Proizvodne napake
- Kovinske nečistoče: mikronski-delci kovine, ki ostanejo v proizvodnem procesu, prodrejo v separator.
- Napake separatorja: Neenakomerna prevleka povzroči lokalno okvaro izolacije.
- Slabše celice: ponarejene baterije nimajo varnostnih ventilov (CID) in zaščite s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC).
Ⅲ.Tehnološki sistem za preprečevanje toplotnega pobega
1. Izboljšave v zasnovi upravljanja toplote
- Toplotnoizolacijske pregrade: keramični premazi/aerogelni materiali se uporabljajo za upočasnitev širjenja toplote.
- Hladilni sistemi: EV: Cevovodi za kroženje tekočinskega hlajenja; PLEV: Izboljšani hladilniki + zasnova zračnega hlajenja.
- Strukturna optimizacija: Na ravni modula lahko razumna postavitev bakrenih trakov SMT z visoko toplotno prevodnostjo vzpostavi učinkovite stranske poti odvajanja toplote in v kombinaciji z materiali za spremembo faze izboljša toplotno ravnovesje.
2. Inteligentni sistem za upravljanje baterije (BMS)
- Trojno spremljanje:-zaznavanje napetosti, toka in temperature v realnem času.
- Aktivna zaščita: samodejni izklop-pri prekomernem polnjenju/pre{1}}praznjenju; Dinamično uravnoteženje celičnih napetosti.
- Mehanizem zgodnjega opozarjanja: Brezžični prenos nenormalnih alarmnih signalov.
3. Samovarni materiali
Primerjava različnih materialov baterij
4. Zaščitni-ukrepi na strani uporabnika
- Specifikacije polnjenja: uporabljajte originalne polnilce; Izogibajte se polnjenju čez noč; Vzdržujte raven napolnjenosti med 20% -80%.
- Zahteve glede shranjevanja: Hladno in prezračevano okolje, ločeno od vnetljivih snovi.
- Prepoznavanje nenormalnosti: Takoj prenehajte z uporabo, ko opazite izboklino ali nenavaden vonj.
Ⅳ. Vrhunske-tehnologije spremljanja
- Regulativni standardi: Uveljavite varnostne certifikate, kot sta UL 2271 in IEC 62619.
- Obveznosti proizvajalca: Vzpostavitev sistema sledljivosti celic; Odpravite kroženje slabših baterij.
- Tehnološke inovacije: spodbujajte tehnologijo terminalov za lasersko varjenje, da zagotovite zanesljivost električnih povezav in zmanjšate lokalno pregrevanje, ki ga povzroči kontaktni upor.
Ⅴ.Sklep
S hitrim razvojem industrije električnega transporta in shranjevanja energije je za preprečevanje toplotnega uhajanja litij-ionske baterije potrebno več-dimenzionalno sodelovanje pri raziskavah in razvoju materialov, inženirskem načrtovanju in izobraževanju uporabnikov. Z optimizacijo zasnov toplotnega upravljanja (kot so sheme toplotne prevodnosti bakrenega traku SMT), popularizacijo inteligentnih sistemov BMS in spodbujanjem varnih kemičnih sistemov, kot je LFP, lahko zgradimo bolj zanesljiv ekosistem za shranjevanje energije.
