Сегодня многие автомобильные компании широко используют литиевые батареи в качестве источников энергии, и их энергетическая плотность постоянно растет, однако безопасность таких батарей по-прежнему вызывает опасения, и это не является оптимальным решением с точки зрения безопасности. Основной объект исследований в области безопасности батарей – тепловой разгон, и этому вопросу следует уделить особое внимание.
Прежде всего, давайте разберемся, что такое тепловой разгон. Тепловой разгон — это явление цепной реакции, запускаемое различными факторами, в результате чего батарея за короткий промежуток времени выделяет большое количество тепла и вредных газов, что в серьезных случаях может даже привести к возгоранию и взрыву батареи. Причин возникновения теплового разгона много, например, перегрев, перезарядка, внутреннее короткое замыкание, столкновение и т. д. Тепловой разгон батареи часто начинается с разложения отрицательной SEI-пленки в ячейке батареи, за которым следует разложение и плавление диафрагмы, в результате чего разлагается отрицательный электрод и электролит, затем разлагается как положительный электрод, так и электролит, что вызывает крупномасштабное внутреннее короткое замыкание, приводящее к горению электролита, которое затем распространяется на другие ячейки, вызывая серьезный тепловой разгон и позволяя всему аккумуляторному блоку самовозгораться.
Причины теплового разгона можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние причины часто связаны с внутренними короткими замыканиями; внешние причины — с механическими повреждениями, электрическими повреждениями, тепловыми повреждениями и т. д.
Внутреннее короткое замыкание, представляющее собой прямой контакт между положительным и отрицательным полюсами батареи, значительно различается по степени контакта и последующей реакции. Обычно сильное внутреннее короткое замыкание, вызванное механическими и термическими повреждениями, напрямую приводит к тепловому разгону. В отличие от этого, внутренние короткие замыкания, возникающие самостоятельно, относительно незначительны, и выделяемое ими тепло настолько мало, что не вызывает немедленного теплового разгона. К внутренним самопроизвольным замыканиям обычно относятся производственные дефекты, ухудшение различных свойств, вызванное старением батареи, таких как увеличение внутреннего сопротивления, отложения литиевого металла, образовавшиеся в результате длительного умеренного неправильного использования и т. д. С течением времени риск внутреннего короткого замыкания, вызванного такими внутренними причинами, постепенно возрастает.
Механическое повреждение относится к деформации монокристаллического литиевого элемента и батарейного блока под действием внешней силы, а также к относительному смещению различных его частей. Основные формы повреждения электроэлемента включают столкновение, сдавливание и прокол. Например, попадание постороннего предмета в транспортное средство на высокой скорости напрямую привело к разрушению внутренней диафрагмы батареи, что, в свою очередь, вызвало короткое замыкание внутри батареи и самовозгорание в течение короткого времени.
Электрические повреждения литиевых батарей обычно включают внешнее короткое замыкание, перезаряд, переразряд и другие формы, наиболее вероятными из которых являются тепловой разгон и перезаряд. Внешнее короткое замыкание происходит, когда два проводника с разницей давлений соединяются вне элемента. Внешние короткие замыкания в батарейных блоках могут быть вызваны деформацией, возникшей в результате столкновений транспортных средств, погружения в воду, загрязнения проводников или поражения электрическим током во время технического обслуживания. Как правило, тепло, выделяемое при внешнем коротком замыкании, не нагревает батарею, в отличие от прокола. Важной связью между внешним коротким замыканием и тепловым разгоном является температура, достигающая точки перегрева. Именно когда тепло, выделяемое при внешнем коротком замыкании, не может быть должным образом рассеяно, температура батареи повышается, и высокая температура запускает тепловой разгон. Поэтому отключение тока короткого замыкания или рассеивание избыточного тепла являются способами предотвращения дальнейшего повреждения, вызванного внешним коротким замыканием. Перезаряд, из-за высокой энергетической ценности, является одной из самых опасных электрических аварий. Выделение тепла и газа — две распространенные особенности процесса перезаряда. Выделение тепла происходит за счет омического тепла и побочных реакций. Во-первых, на поверхности анода образуются литиевые дендриты из-за чрезмерного внедрения лития.
Меры защиты от теплового разгона:
На стадии самопроизвольного выделения тепла для предотвращения теплового разгона сердечника у нас есть два варианта: первый — улучшить и модернизировать материал сердечника, поскольку суть теплового разгона в основном заключается в стабильности материалов положительного и отрицательного электродов и электролита. В будущем нам также необходимо добиться значительных успехов в нанесении покрытий на катодный материал, его модификации, обеспечении совместимости однородного электролита и электрода, а также улучшении теплопроводности сердечника. Или же выбрать электролит с высокой степенью безопасности, обладающий огнезащитными свойствами. Во-вторых, необходимо внедрить эффективные решения по управлению тепловыми процессами.Нагреватель охлаждающей жидкости PTC/ Воздушный нагреватель PTC) снаружи для подавления повышения температуры литий-ионной батареи, чтобы гарантировать, что SEI-пленка элемента не достигнет температуры растворения, и, естественно, не произойдет теплового разгона.
Дата публикации: 17 марта 2023 г.
