Le batterie al litio hanno i vantaggi della portabilità e della ricarica rapida, quindi perché le batterie al piombo e altre batterie secondarie circolano ancora sul mercato?
Oltre ai problemi di costo e di diversi campi di applicazione, un altro motivo è la sicurezza.
Il litio è il metallo più attivo al mondo.Poiché le sue caratteristiche chimiche sono troppo attive, quando il litio metallico è esposto all'aria, avrà una feroce reazione di ossidazione con l'ossigeno, quindi è soggetto a esplosione, combustione e altri fenomeni.Inoltre, la reazione redox si verificherà anche all'interno della batteria al litio durante la carica e la scarica.L'esplosione e la combustione spontanea sono causate principalmente dall'accumulo, dalla diffusione e dal rilascio della batteria al litio dopo il riscaldamento.In breve, le batterie al litio genereranno molto calore durante il processo di carica e scarica, che porterà all'aumento della temperatura interna della batteria e alla temperatura non uniforme tra le singole batterie, causando così prestazioni instabili della batteria.
I comportamenti non sicuri della batteria agli ioni di litio in fuga termica (inclusi sovraccarico e scaricamento eccessivo della batteria, carica e scarica rapida, cortocircuito, condizioni di abuso meccanico, shock termico ad alta temperatura, ecc.) possono innescare pericolose reazioni collaterali all'interno della batteria e generare calore, danneggiando direttamente la pellicola passiva sull'elettrodo negativo e sulla superficie dell'elettrodo positivo.
Ci sono molte ragioni per innescare incidenti di fuga termica delle batterie agli ioni di litio.In base alle caratteristiche dell'innesco, può essere suddiviso in innesco di abuso meccanico, innesco di abuso elettrico e innesco di abuso termico.Abuso meccanico: si riferisce all'agopuntura, all'estrusione e all'impatto di oggetti pesanti causati dalla collisione del veicolo;Abuso elettrico: generalmente causato da una gestione impropria della tensione o da un guasto dei componenti elettrici, inclusi cortocircuito, sovraccarico e scarica eccessiva;Abuso di calore: causato dal surriscaldamento causato da una gestione impropria della temperatura.
Questi tre metodi di attivazione sono correlati.L'abuso meccanico generalmente causerà la deformazione o la rottura del diaframma della batteria, con conseguente contatto diretto tra i poli positivo e negativo della batteria e cortocircuito, con conseguente abuso elettrico;Tuttavia, in condizioni di abuso di elettricità, la generazione di calore come il calore Joule aumenta, provocando un aumento della temperatura della batteria, che si trasforma in abuso di calore, innescando ulteriormente la reazione laterale di generazione di calore del tipo a catena all'interno della batteria e portando infine al verificarsi di fuga di calore della batteria.
La fuga termica della batteria è causata dal fatto che la velocità di generazione del calore della batteria è molto superiore alla velocità di dissipazione del calore e il calore viene accumulato in grande quantità ma non dissipato nel tempo.In sostanza, la "fuga termica" è un processo ciclico di feedback energetico positivo: l'aumento della temperatura farà surriscaldare il sistema e la temperatura aumenterà dopo che il sistema si sarà surriscaldato, il che a sua volta renderà il sistema più caldo.
Il processo di fuga termica: quando la temperatura interna della batteria aumenta, il film SEI sulla superficie del film SEI si decompone ad alta temperatura, lo ione di litio incorporato nella grafite reagirà con l'elettrolita e il legante, aumentando ulteriormente la temperatura della batteria a 150 ℃ e a questa temperatura si verificherà una nuova violenta reazione esotermica.Quando la temperatura della batteria supera i 200 ℃, il materiale del catodo si decompone, rilasciando una grande quantità di calore e gas, e la batteria inizia a gonfiarsi e a riscaldarsi continuamente.L'anodo incorporato al litio ha iniziato a reagire con l'elettrolita a 250-350 ℃.Il materiale del catodo caricato inizia a subire una violenta reazione di decomposizione e l'elettrolita subisce una violenta reazione di ossidazione, rilasciando una grande quantità di calore, generando alte temperature e una grande quantità di gas, provocando la combustione e l'esplosione della batteria.
Il problema della precipitazione di dendriti di litio durante il sovraccarico: dopo che la batteria al cobalato di litio è completamente carica, una grande quantità di ioni di litio rimane nell'elettrodo positivo.Vale a dire, il catodo non può contenere più ioni di litio attaccati al catodo, ma nello stato di sovraccarico, gli ioni di litio in eccesso sul catodo nuoteranno comunque verso il catodo.Poiché non possono essere completamente contenuti, il litio metallico si formerà sul catodo.Poiché questo litio metallico è un cristallo dendritico, si chiama dendrite.Se il dendrite è troppo lungo, è facile perforare il diaframma, provocando un cortocircuito interno.Poiché il componente principale dell'elettrolita è il carbonato, il suo punto di accensione e il punto di ebollizione sono bassi, quindi brucerà o addirittura esploderà ad alta temperatura.
Se si tratta di una batteria ai polimeri di litio, l'elettrolita è colloidale, che è soggetto a una combustione più violenta.Per risolvere questo problema, gli scienziati cercano di sostituire materiali catodici più sicuri.Il materiale della batteria al manganato di litio presenta alcuni vantaggi.Può garantire che lo ione di litio dell'elettrodo positivo possa essere completamente incorporato nel foro di carbonio dell'elettrodo negativo sotto lo stato di carica completa, invece di avere alcuni residui nell'elettrodo positivo come il cobalato di litio, che in una certa misura evita la generazione di dendriti.La struttura stabile del manganato di litio rende le sue prestazioni di ossidazione molto inferiori a quelle del cobalato di litio.Anche se c'è un cortocircuito esterno (piuttosto che un cortocircuito interno), può sostanzialmente evitare la combustione e l'esplosione causate dalla precipitazione del litio metallico.Il fosfato di ferro di litio ha una maggiore stabilità termica e una minore capacità di ossidazione dell'elettrolita, quindi ha un'elevata sicurezza.
L'attenuazione dell'invecchiamento della batteria agli ioni di litio si manifesta con l'attenuazione della capacità e l'aumento della resistenza interna, e il suo meccanismo interno di attenuazione dell'invecchiamento include la perdita di materiali attivi positivi e negativi e la perdita di ioni di litio disponibili.Quando il materiale del catodo è invecchiato e decaduto e la capacità del catodo è insufficiente, è più probabile che si verifichi il rischio di evoluzione del litio dal catodo.In condizioni di scarica eccessiva, il potenziale del catodo al litio salirà a oltre 3 V, che è superiore al potenziale di dissoluzione del rame, causando la dissoluzione del collettore di rame.Gli ioni di rame disciolti precipitano sulla superficie del catodo e formano dendriti di rame.I dendriti di rame passeranno attraverso il diaframma, provocando un cortocircuito interno, che compromette seriamente le prestazioni di sicurezza della batteria.
Inoltre, la resistenza al sovraccarico delle batterie obsolete diminuirà in una certa misura, principalmente a causa dell'aumento della resistenza interna e della diminuzione delle sostanze attive positive e negative, con conseguente aumento del calore joule durante il processo di sovraccarico delle batterie.Sotto un sovraccarico minore, possono essere attivate reazioni collaterali, causando la fuga termica delle batterie.In termini di stabilità termica, l'evoluzione del litio dal catodo porterà a un netto calo della stabilità termica della batteria.
In una parola, le prestazioni di sicurezza della batteria invecchiata saranno notevolmente ridotte, il che metterà seriamente in pericolo la sicurezza della batteria.La soluzione più comune è dotare il sistema di accumulo dell'energia della batteria di un sistema di gestione della batteria (BMS).Ad esempio, le batterie 8000 18650 utilizzate in Tesla Model S possono realizzare il monitoraggio in tempo reale di vari parametri fisici della batteria, valutare lo stato di utilizzo della batteria e condurre diagnosi online e avvisi preventivi attraverso il suo sistema di gestione della batteria.Allo stesso tempo, può anche eseguire il controllo di scarica e precarica, la gestione del bilanciamento della batteria e la gestione termica.
Tempo di pubblicazione: dic-02-2022