Độ an toàn của pin lithium niken cao đã trở thành một sự đồng thuận, nhưng pin lithium trạng thái rắn hiện đang được phân chia
Một thị trường xe điện tôn trọng mật độ năng lượng đã mang lại những thách thức to lớn đối với sự an toàn của các bộ pin và các phương tiện hoàn chỉnh. Năm 2018, có 52 vụ tai nạn an toàn trên một triệu xe điện ở Trung Quốc. Về cảnh quay, tính tiền, lái xe và đỗ xe đều là những cảnh xảy ra tai nạn về an toàn.
Nếu phân tích các nguyên nhân, 58% các vụ cháy nổ là do sự thoát nhiệt của pin lithium. Gần 90% hiện tượng thoát nhiệt là do đoản mạch. Ở cấp độ tế bào, các vật liệu tích cực và tiêu cực, chất điện phân và màng ngăn là cầu chì trực tiếp cho sự chạy trốn nhiệt. Sau khi phân nhóm, cách ngăn chặn sự khuếch tán nhiệt trong thiết kế kết cấu, làm mát và điều khiển điện có liên quan đến việc liệu nguy cơ thoát nhiệt có thể được giảm bớt hoặc bị kìm hãm hay không.
Từ ngày 16 đến ngày 17 tháng 10 năm 2019, Hội nghị Công nghệ pin xe năng lượng mới thế hệ mới Trung Quốc-Nhật Bản-Hàn Quốc 2019 đã được tổ chức tại Thượng Hải. Hội nghị được chia thành hai diễn đàn, chủ đề là các giải pháp và an toàn nhiệt pin, công nghệ then chốt của pin thể rắn và những thách thức công nghiệp hóa.
Diễn đàn 1, các OEM, công ty pin điện, các trường đại học, phòng thí nghiệm và tổ chức thử nghiệm nổi tiếng sẽ thảo luận về nguyên nhân và giải pháp cho sự thoát nhiệt của pin niken cao khi mức năng lượng cụ thể của pin điện tiếp tục tăng. Diễn đàn 2 là về phân tích các lộ trình và hiện trạng công nghệ pin thể rắn khác nhau.
Hệ thống xem an toàn nhiệt
Vòng đời đầy đủ của pin nguồn bắt đầu từ việc lựa chọn hệ thống vật liệu, đến khi hoàn thành pin, đúc các mô-đun và PACKs, quản lý pin sau khi lắp đặt và ứng dụng, đến việc sử dụng trong vận hành xe.
Nguyên nhân sâu xa của hiện tượng thoát nhiệt là do tế bào pin. Các điện cực âm và dương là" fuse" và chất điện phân là" lưu trữ nhiên liệu" ;. Nó chỉ cần một" spark" để gây ra sự thoát nhiệt hoặc cháy.
& quot; Tia lửa" hoặc đến từ bên trong tế bào hoặc phát sinh từ bên ngoài. Các yếu tố bên trong chủ yếu đề cập đến các yếu tố không ổn định được tạo ra trong quá trình thiết kế và sản xuất pin; các yếu tố bên ngoài chủ yếu đề cập đến các nguyên nhân do con người và điều kiện bên ngoài gây ra trong quá trình vận chuyển, lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng ắc quy.
Lỗi an toàn về nhiệt của pin chủ yếu là do quá nhiệt cục bộ gây đoản mạch bên trong pin, hoặc đoản mạch vi mô gây hư hỏng màng ngăn pin và đoản mạch diện tích lớn hơn.
Pin Lithium-ion đã được nâng cấp từ NCM111 và NCM523 lên NCM622 và NCM811. Hàm lượng niken của vật liệu bậc ba điện cực dương tiếp tục tăng, nhiệt độ giải phóng oxy tiếp tục giảm, và độ bền nhiệt của vật liệu điện cực dương ngày càng kém đi. Nhiệt độ giải phóng oxy giảm có nghĩa là pin lithium có khả năng chịu nhiệt cao hơn. Khi nhiệt độ tăng, vật liệu điện cực dương chuyển từ cấu trúc phân lớp sang cấu trúc spinel, sau đó tạo thành muối mỏ và giải phóng ôxy hoạt tính. Sự phát triển của muối mỏ và sự giải phóng oxy là những vấn đề cơ bản gây ra bởi sự chạy trốn nhiệt.
Lạm dụng điện hóa là vấn đề đau đầu nhất của các nhà máy sản xuất pin. Trong các điều kiện lạm dụng như sốc nhiệt, sạc quá mức và phóng điện quá mức, chất hoạt tính và chất điện phân bên trong pin sẽ tạo ra các sợi nhỏ liti, đâm xuyên qua màng ngăn và gây ra đoản mạch bên trong. Sự phát triển của liti trong điện cực âm là nguyên nhân chính dẫn đến sự phát triển của các đuôi gai liti. Vì vậy, làm thế nào để ngăn chặn các đuôi gai liti là một vấn đề quan trọng.
Sự ngắn mạch của các điện cực âm và dương do hỏng màng ngăn là một phần quan trọng của sự chạy trốn nhiệt. Khi màng an toàn của màng SEI bị phá hủy, chất điện phân phản ứng với điện cực để tạo ra nhiệt, sẽ làm nóng chảy màng ngăn. Hơn nữa, kẻ thù phải đối mặt với màng ngăn là những sợi tua rua liti, đe dọa tính toàn vẹn và ổn định của nó.
Ngoài hỏng hóc pin do đoản mạch bên trong, sạc quá mức, pin lão hóa, v.v., hỏng hóc cơ học trong các điều kiện khắc nghiệt như đoản mạch bên ngoài, ép đùn, cháy nổ, ngâm nước và va chạm mô phỏng cũng sẽ được chuyển thành đoản mạch bên trong và gây ra điện hỏng hóc, mà cuối cùng sẽ dẫn đến sự chạy trốn nhiệt.
Một số hỏng hóc và suy giảm hiệu suất có thể xảy ra trong suốt vòng đời của pin' sẽ khiến pin được sử dụng vượt quá phạm vi sử dụng an toàn và gây ra một số tai nạn về an toàn.
Nhà máy sản xuất pin và OEM làm việc cùng nhau
Các nguyên nhân bên trong và bên ngoài của sự thoát nhiệt đòi hỏi sự hợp tác của các nhà sản xuất pin và OEM để cung cấp một giải pháp tổng thể, bao gồm các vật liệu tích cực và tiêu cực, bộ phân tách, chất điện phân, quản lý pin và thiết kế cấu trúc PACK.
Đối với các nhà máy sản xuất pin, hãy tìm chất điện phân chống cháy chịu áp suất cao và chịu nhiệt độ cao, vật liệu cực âm đơn tinh thể chịu nhiệt độ cao, vật liệu cực dương ức chế các đuôi gai lithium hoặc sử dụng cực âm NMC811 được phủ chất an toàn để cải thiện độ khô. Ứng dụng của màng ngăn của Pháp giới thiệu một màng ngăn bằng gốm để ngăn chặn sự thoát nhiệt ở cấp độ tế bào.
Đối với các OEM, việc chú ý đến sự an toàn của chính pin là chưa đủ. Ngoài các vấn đề của chính ắc quy, kết nối điện của ắc quy, an toàn cơ học, kết nối sạc, các vấn đề sử dụng hàng ngày và xử lý nhanh các vấn đề là cốt lõi của an toàn xe điện.
Hệ thống bảo vệ an toàn cho pin nguồn của OEM' được thiết kế và xác minh từ bốn khía cạnh: monomer, mô-đun, BMS và hệ thống. Một mặt, các nhà sản xuất pin tự đảm bảo an toàn từ khâu thiết kế và liên kết sản xuất. Mặt khác, OEM xem xét an toàn cơ học, điện và nhiệt từ quan điểm an toàn mô-đun, chẳng hạn như khe hở an toàn, thiết kế lực và bảo vệ.
Về cấu trúc lắp ráp, OEM phải xem xét các điều kiện vận hành khác nhau của xe, cũng như đường ống làm mát, công nghệ làm mát mới, cảnh báo sớm về sự thoát nhiệt và không tăng sinh. Đồng thời, họ phải xem xét việc chữa cháy chủ động và cách dập lửa qua các công trình bên ngoài.
Các OEM thường nghĩ về cách cải thiện thiết kế an toàn của bộ pin từ cấp độ hệ thống. Cho dù đó là vật liệu điện cực âm và dương, chất điện phân, màng chắn, thiết kế cấu trúc, làm mát, quản lý nhiệt và các cảnh báo phòng ngừa của PACK sau nhóm đều là đối tượng của phân tích OEM.
Sự an toàn của pin lithium là một chủ đề lớn, liên quan đến tất cả các khía cạnh từ vật liệu, sản xuất đến ứng dụng. Việc đảm bảo an toàn nhiệt của xe điện đòi hỏi sự hợp tác của các OEM, nhà máy sản xuất pin và tổ chức thử nghiệm để phân tích cơ chế thoát nhiệt và khám phá các công nghệ mới để trì hoãn sự xuất hiện của hiện tượng thoát nhiệt.
Các âm thanh khác nhau của pin thể rắn
Chuyển động về phía trước của xe điện chỉ ra rằng tiêu chuẩn năng lượng cụ thể của pin điện sẽ không đi ngược lại. Việc áp dụng các vật liệu tích cực và tiêu cực tiềm năng cao đã trở thành một xu hướng, và NCM811 và cực dương cacbon silicon ngày càng xuất hiện nhiều hơn trong các tuyến đường kỹ thuật của các nhà máy sản xuất pin. Nhưng nguy cơ cháy nổ vẫn đe dọa ứng dụng của pin niken cao. Do đó, các nhà sản xuất pin và OEM đã chuyển sự chú ý của họ sang chất điện phân rắn chống cháy, chịu áp suất cao, với hy vọng giải quyết vấn đề về sự cân bằng giữa năng lượng cụ thể và an toàn.
Tuy nhiên, tại hội nghị Trung Quốc-Nhật Bản-Hàn Quốc này, quan điểm của các khách mời Trung Quốc và Nhật Bản về việc nghiên cứu và ứng dụng pin thể rắn rất khác nhau, thách thức quan điểm vốn có của ngành' về pin thể rắn . Liên quan đến những nỗ lực phối hợp của trang web giải pháp an toàn niken cao, trang web pin thể rắn đang tiến về phía trước với sự khác biệt.
Chuyên gia về pin thể rắn 30 năm của Nhật Bản, Tiến sĩ Tadahiko Kubota, cựu chuyên gia về pin của Toyota và Honda tại Nhật Bản Ogi Eiki, nhận xét về hiện trạng nghiên cứu pin thể rắn hiện nay có thể được mô tả là" bi quan" ; Việc áp dụng pin thể rắn cho xe điện là khá khó khăn. Mặt khác, các nhà máy sản xuất pin trong nước như Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Học viện Khoa học Trung Quốc, Đại học Tongji và Đại học Giao thông Thượng Hải đều đang làm việc không mệt mỏi với pin thể rắn.
Có thể tóm tắt ý kiến của các chuyên gia Nhật Bản như sau: Toyota Sulfide vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, và việc sản xuất hàng loạt là không thể với trình độ công nghệ hiện nay. Mục đích ban đầu của hãng là phát triển pin thể rắn là giảm lượng pin cho các loại xe hybrid. Thế giới bên ngoài lầm tưởng rằng pin thể rắn được sử dụng trong xe điện. Đây là sự khác biệt giữa suy nghĩ nội bộ của Toyota' và ý kiến bên ngoài.
Về mặt an toàn, pin thể rắn cũng có thể tạo ra các đuôi gai lithium, và mức độ an toàn rất đáng lo ngại. Và việc đánh giá độ an toàn của nó không thể đánh giá bằng chất điện phân có dễ cháy hay không. Vấn đề quan trọng nhất là sự tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực dương và điện cực âm với mật độ năng lượng cao.
Pin thể rắn hoàn toàn có thể làm tăng mật độ năng lượng, một trong những lý do là vật liệu bên ngoài có thể bị giảm. Nhưng đây không chỉ là đặc điểm đặc trưng của pin thể rắn.
Về khả năng sạc nhanh, bài báo của Toyota&# 39 và hầu hết các nhà nghiên cứu đã không xác nhận bất kỳ bằng chứng nào cho thấy tất cả các loại pin thể rắn đều có thể được sạc nhanh. Họ đều cho biết rằng các sợi đuôi gai lithium được hình thành trong quá trình sạc. Càng nhiều người hiểu về pin thể rắn, họ càng phủ nhận rằng nó có thể được sạc nhanh chóng.
Hầu hết các bằng sáng chế của Toyota&# 39 trong thập kỷ qua đều liên quan đến trở kháng. Nó đã được nghiên cứu vấn đề này từ mười năm trước, và nó vẫn còn là một vấn đề lớn.
Quang cảnh các nhà máy sản xuất pin trong nước: Sự lây lan của các đám cháy thực liên quan trực tiếp đến chất điện phân lỏng hữu cơ. Các chất điện phân rắn khác nhau, từ polyme đến chất điện phân gốm có thể cải thiện độ an toàn của pin ở các mức độ khác nhau. Về độ an toàn và mật độ năng lượng, pin thể rắn đã được cải thiện so với pin lithium-ion truyền thống thông thường trước đây. Tiền đề là chúng ta phải có công nghệ tốt để giải quyết vấn đề của giao diện và đảm bảo rằng chất điện phân rắn có thể thích ứng với thiết kế pin và đáp ứng các yêu cầu về pin năng lượng với tỷ lệ cao.
Chúng tôi tin rằng pin thể rắn có lợi thế về một số khía cạnh. Khi thay màng ngăn và bình điện phân bằng chất rắn sẽ có độ an toàn cao hơn. Khi ngưỡng an toàn của toàn bộ hệ thống được tăng lên, hệ thống này có thể sử dụng các vật liệu âm và dương tiềm năng cao, chẳng hạn như điện cực âm kim loại lithium, và sẽ có mật độ năng lượng cao hơn trong tương lai.
Suy nghĩ hiện tại là phải tương thích với thiết bị pin lithium hiện có và công nghệ pin lithium càng nhiều càng tốt, và giảm giá thành càng nhiều càng tốt. Vì pin thể rắn có mật độ năng lượng cao và độ an toàn cao nên chúng có thể được sử dụng trước trong một số trường hợp đặc biệt.
Lợi thế về mật độ năng lượng của pin thể rắn tương đối không rõ ràng ở cấp độ tế bào, và nổi bật hơn ở cấp GÓI. Đến năm 2021, pin thể rắn sẽ sử dụng các vật liệu hoạt động có tỷ lệ sử dụng cao hơn và mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào sẽ giống như của pin lỏng và sau đó sẽ dần vượt qua nó.
Mặc dù các chuyên gia trong và ngoài nước còn tranh cãi về mật độ năng lượng và độ an toàn của pin thể rắn, nhưng về cơ bản, họ cho rằng việc áp dụng thương mại pin thể rắn là một quá trình lâu dài nhằm giải quyết một số thiếu sót của pin lỏng. Do đó, trước tiên, pin thể rắn có thể được nhập khẩu từ lĩnh vực xe máy và điện tử tiêu dùng, sau đó sẽ thâm nhập vào lĩnh vực xe điện khi ba khía cạnh an toàn, hiệu suất và chi phí đã trưởng thành.
