Sự an toàn và giải pháp của pin lithium
Với sự phổ biến của điện thoại di động, sản phẩm kỹ thuật số và xe điện, pin lithium-ion ngày càng đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người&# 39. Các vấn đề sử dụng như mật độ năng lượng thấp và vòng đời hạn chế thường bị chỉ trích. Tuy nhiên, so với những vấn đề này, sự an toàn của pin lithium mới là tâm điểm chú ý.
Trong những năm gần đây, các vụ tai nạn do vấn đề an toàn pin xảy ra rất nhiều, và hậu quả của nhiều vấn đề gây chấn động, chẳng hạn như sự cố cháy pin lithium của chiếc Boeing 787 Dreamliner gây chấn động ngành công nghiệp và sự cố cháy nổ pin quy mô lớn. trên Samsung Galaxy Note 7. Sự an toàn của pin lithium-ion một lần nữa gióng lên hồi chuông cảnh báo.
Thành phần và nguyên lý hoạt động của pin lithium-ion
Pin Lithium-ion chủ yếu bao gồm điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân, bộ phân tách, kết nối bên ngoài và các thành phần đóng gói. Trong số đó, điện cực dương và điện cực âm chứa các vật liệu điện cực hoạt động, chất dẫn điện, chất kết dính, v.v., được phủ đồng nhất trên lá đồng và lá nhôm thu dòng điện.
Thế điện cực dương của pin lithium-ion tương đối cao, thường là các oxit kim loại chuyển tiếp xen kẽ giữa lithium, hoặc các hợp chất polyanionic, chẳng hạn như lithium coban, lithium manganate, ternary, lithium iron phosphate, v.v.; vật liệu tiêu cực của pin lithium-ion thường là vật liệu carbon, chẳng hạn như than chì và carbon không graphit hóa; chất điện phân pin lithium ion chủ yếu là dung dịch không chứa nước, bao gồm dung môi hỗn hợp hữu cơ và muối lithium, dung môi chủ yếu là dung môi hữu cơ như axit cacbonic, và muối lithium chủ yếu là muối lithium polyanionic đơn hóa trị, chẳng hạn như Lithium hexafluorophosphate, v.v.; Các bộ phân tách pin lithium ion chủ yếu là màng vi xốp polyetylen và polypropylen, có tác dụng cách ly vật liệu âm và dương, ngăn chặn hiện tượng đoản mạch do sự di chuyển của các điện tử và cho phép các ion trong chất điện phân đi qua.
Trong quá trình sạc, bên trong pin, lithium được chiết xuất từ điện cực dương dưới dạng ion, được chất điện phân vận chuyển qua màng ngăn và nhúng vào điện cực âm; bên ngoài pin, các êlectron di chuyển từ mạch ngoài sang điện cực âm. Trong quá trình phóng điện: các ion lithium bên trong pin được chiết xuất từ điện cực âm, đi qua màng ngăn và được nhúng vào điện cực dương; bên ngoài pin, các êlectron di chuyển từ mạch ngoài sang điện cực dương. Với sạc và xả, nó là" ion lithium" di chuyển giữa các pin thay vì nguyên tố" lithium" ;, vì vậy pin được gọi là" pin lithium ion" ;.
Thứ hai, các nguy cơ an toàn của pin lithium-ion
Nói chung, các vấn đề an toàn của pin lithium-ion biểu hiện như cháy hoặc thậm chí nổ. Nguyên nhân sâu xa của những vấn đề này là do sự thoát nhiệt bên trong pin. Ngoài ra, một số yếu tố bên ngoài, chẳng hạn như sạc quá mức, cháy, bóp, thủng, và ngắn mạch Các vấn đề khác cũng có thể dẫn đến các vấn đề an ninh. Pin Lithium-ion sẽ tạo ra nhiệt trong quá trình sạc và xả. Nếu nhiệt lượng tạo ra vượt quá khả năng tản nhiệt của pin, pin lithium-ion sẽ quá nóng và vật liệu pin sẽ phân hủy màng SEI, phân hủy chất điện phân, phân hủy điện cực dương, điện cực âm và các phản ứng phụ có tính phá hủy như phản ứng của chất điện phân và phản ứng của điện cực âm và chất kết dính.
1 Các nguy cơ an toàn của vật liệu catốt
Khi sử dụng pin lithium-ion không đúng cách, nhiệt độ bên trong pin sẽ tăng lên, và chất hoạt tính của vật liệu làm điện cực dương sẽ bị phân hủy và chất điện phân sẽ bị oxy hóa. Đồng thời, hai phản ứng này có thể sinh ra nhiều nhiệt, khiến nhiệt độ của pin tăng thêm. Các trạng thái phân tách khác nhau có ảnh hưởng rất khác nhau đến sự biến đổi mạng tinh thể của vật liệu hoạt động, nhiệt độ phân hủy và độ bền nhiệt của pin.
2 Các nguy cơ an toàn của vật liệu anốt
Vật liệu điện cực âm được sử dụng trong những ngày đầu tiên là kim loại lithium, và pin lắp ráp dễ tạo ra các sợi nhỏ liti sau nhiều lần sạc và xả, sau đó sẽ xuyên thủng màng ngăn, khiến pin bị đoản mạch, rò rỉ và thậm chí phát nổ. Các hợp chất xen kẽ giữa Lithium có thể tránh hiệu quả việc tạo ra các đuôi gai lithium và cải thiện đáng kể độ an toàn của pin lithium-ion. Khi nhiệt độ tăng, điện cực âm cacbon ở trạng thái xen phủ liti trước hết phản ứng tỏa nhiệt với chất điện phân. Trong cùng điều kiện sạc và xả, tốc độ tỏa nhiệt của phản ứng giữa chất điện phân và graphit nhân tạo xen kẽ liti lớn hơn nhiều so với tốc độ phản ứng với vi cầu cacbon trung mô xen kẽ liti, sợi cacbon, than cốc, v.v.
3 Các nguy cơ an toàn của màng ngăn và chất điện phân
Chất điện phân của pin lithium ion là một dung dịch hỗn hợp của muối lithium và dung môi hữu cơ. Muối lithium thương mại là lithium hexafluorophosphate. Độ bền nhiệt của chất điện phân. Dung môi hữu cơ của chất điện phân là cacbonat, có nhiệt độ sôi và nhiệt độ chớp cháy thấp, dễ phản ứng với muối liti để giải phóng PF5 ở nhiệt độ cao và dễ bị oxi hóa.
4 Nguy cơ an toàn tiềm ẩn trong quá trình sản xuất
Trong quá trình sản xuất pin lithium-ion, các quy trình như sản xuất điện cực và lắp ráp pin sẽ có tác động đến sự an toàn của pin. Việc kiểm soát chất lượng của các quy trình khác nhau như trộn điện cực âm và dương, phủ, cán, cắt hoặc đục lỗ, lắp ráp, chiết rót chất điện phân, niêm phong và tạo hình đều ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của pin. Tính đồng nhất của bùn quyết định sự đồng đều của sự phân bố vật chất hoạt động trên điện cực, do đó ảnh hưởng đến sự an toàn của pin. Nếu độ mịn của bùn quá lớn, vật liệu điện cực âm sẽ trải qua những thay đổi tương đối lớn trong quá trình sạc và phóng điện, và sự kết tủa của liti kim loại có thể xảy ra; nếu độ mịn của bùn quá nhỏ, điện trở bên trong của pin sẽ quá lớn. Nếu nhiệt độ gia nhiệt lớp phủ quá thấp hoặc không đủ thời gian sấy, dung môi sẽ vẫn còn và chất kết dính sẽ bị hòa tan một phần, làm cho một số vật liệu hoạt động dễ bị bong tróc; nhiệt độ quá cao có thể làm cho chất kết dính bị cacbon hóa và các vật liệu hoạt động có thể rơi ra và gây đoản mạch bên trong pin.
5 nguy cơ an toàn tiềm ẩn trong quá trình sử dụng pin
Pin Lithium-ion nên giảm thiểu tình trạng sạc quá mức hoặc xả quá mức trong quá trình sử dụng. Đặc biệt đối với pin có dung lượng monome cao, sự xáo trộn nhiệt có thể gây ra một loạt các phản ứng phụ tỏa nhiệt, dẫn đến các vấn đề an toàn.
Ba chỉ số kiểm tra an toàn pin lithium-ion
Sau khi pin lithium-ion được sản xuất, trước khi đến tay người tiêu dùng, một loạt các thử nghiệm được yêu cầu để đảm bảo độ an toàn của pin càng nhiều càng tốt và giảm các nguy cơ an toàn tiềm ẩn.
1. Kiểm tra ép: Đặt pin đã sạc đầy lên mặt phẳng, dùng xi lanh thủy lực tạo áp suất 13 ± 1KN và ép pin từ bề mặt phẳng của một thanh thép có đường kính 32mm. Khi áp suất bóp đạt đến mức dừng tối đa Bóp, pin không bắt lửa, chỉ không nổ' t nổ.
2. Kiểm tra va đập: Sau khi pin được sạc đầy, đặt trên mặt phẳng, đặt một cột thép có đường kính 15,8mm theo phương thẳng đứng ở tâm của pin và thả rơi tự do vật nặng 9,1kg từ độ cao 610mm xuống. cột thép phía trên pin. Pin không bắt lửa hoặc phát nổ.
3. Kiểm tra quá tải: Sạc đầy pin với 1C và thực hiện kiểm tra quá tải theo 3C sạc quá 10V. Khi pin được sạc quá mức, điện áp sẽ tăng đến một mức điện áp nhất định và ổn định trong một khoảng thời gian. Khi gần đến một khoảng thời gian nhất định, điện áp của pin tăng lên nhanh chóng. Khi đạt đến một giới hạn nhất định, nắp trên của pin bị kéo ra, điện áp giảm xuống 0V và pin không bắt lửa hoặc phát nổ.
4. Thử ngắn mạch: Sau khi pin được sạc đầy, các điện cực âm và dương của pin được nối ngắn mạch với một dây dẫn có điện trở không quá 50mΩ, và nhiệt độ bề mặt của pin được thử. Nhiệt độ tối đa của bề mặt pin là 140 ℃. Nắp pin được mở, và pin không bắt lửa hoặc phát nổ. .
5. Kiểm tra châm cứu: Đặt pin đã sạc đầy trên bề mặt phẳng, dùng kim thép có đường kính 3mm đâm xuyên pin theo hướng xuyên tâm. Pin kiểm tra không bắt lửa, không nổ.
6. Kiểm tra chu kỳ nhiệt độ: Kiểm tra chu kỳ nhiệt độ của pin lithium ion được sử dụng để mô phỏng mức độ an toàn của pin lithium ion khi nó tiếp xúc nhiều lần với môi trường nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao trong quá trình vận chuyển hoặc lưu trữ. Thử nghiệm là sử dụng các thay đổi nhiệt độ nhanh và khắc nghiệt. Sau khi thử, mẫu không được cháy, nổ hoặc rò rỉ.
Bốn giải pháp an toàn cho pin lithium-ion
Trước nhiều nguy cơ an toàn tiềm ẩn của pin lithium-ion trong chất liệu, quy trình sản xuất và sử dụng, làm thế nào để cải thiện các bộ phận dễ gặp sự cố về an toàn là vấn đề mà các nhà sản xuất pin lithium-ion cần giải quyết.
1 Cải thiện độ an toàn của chất điện phân
Có hoạt độ phản ứng cao giữa chất điện phân và điện cực âm và dương, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Để nâng cao độ an toàn của ắc quy, nâng cao độ an toàn của bình điện phân là một trong những phương pháp hiệu quả hơn. Các mối nguy tiềm ẩn về an toàn của chất điện phân có thể được giải quyết một cách hiệu quả bằng cách thêm các chất phụ gia chức năng, sử dụng muối lithium mới và sử dụng dung môi mới.
Theo các chức năng khác nhau của phụ gia, chúng có thể được chia thành các loại sau: phụ gia bảo vệ an toàn, phụ gia tạo màng, phụ gia bảo vệ điện cực dương, phụ gia ổn định muối lithium, phụ gia thúc đẩy kết tủa lithium, phụ gia chống ăn mòn bộ thu dòng và phụ gia tăng cường khả năng thấm ướt .
Để cải thiện hiệu suất của các muối lithium thương mại, các nhà nghiên cứu đã thay thế các nguyên tử trên chúng và thu được nhiều dẫn xuất. Trong số đó, các hợp chất thu được bằng cách thay thế các nguyên tử bằng nhóm perfluoroalkyl có nhiều ưu điểm như điểm chớp cháy cao, độ dẫn điện tương tự và khả năng chống thấm nước được nâng cao. , Là một loại hợp chất muối liti có triển vọng ứng dụng lớn. Ngoài ra, muối liti của anion thu được bằng cách chelat hóa nguyên tử bo với phối tử oxi có độ bền nhiệt cao.
Về dung môi, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất một loạt các dung môi hữu cơ mới, chẳng hạn như este axit cacboxylic và ete hữu cơ. Ngoài ra, chất lỏng ion còn có một loại chất điện giải có độ an toàn cao, nhưng chất điện giải gốc cacbonat được sử dụng tương đối phổ biến. Độ nhớt của chất lỏng ion cao hơn theo bậc, và độ dẫn điện và hệ số tự khuếch tán ion thấp. Vẫn còn rất nhiều việc trước khi thực tế. Làm.
2 Cải thiện độ an toàn của vật liệu điện cực
Lithium iron phosphate và vật liệu composite bậc ba được coi là có giá thành thấp," an toàn tuyệt vời" vật liệu cathode, và có thể được phổ biến trong ngành công nghiệp xe điện. Đối với vật liệu điện cực dương, phương pháp phổ biến để cải thiện độ an toàn của nó là sửa đổi lớp phủ. Ví dụ, lớp phủ bề mặt của vật liệu điện cực dương bằng một oxit kim loại có thể ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa vật liệu điện cực dương và chất điện phân, ức chế sự thay đổi pha của vật liệu điện cực dương và cải thiện tính ổn định cấu trúc của nó làm giảm sự rối loạn của các cation trong mạng tinh thể để giảm bớt sự sinh nhiệt của các phản ứng phụ.
Đối với vật liệu làm điện cực âm, do bề mặt thường dễ bị phân hủy nhiệt hóa và sinh nhiệt nhất trong pin lithium ion, nên việc cải thiện độ ổn định nhiệt của màng SEI là một phương pháp quan trọng để cải thiện độ an toàn của vật liệu làm điện cực âm. Thông qua quá trình oxy hóa yếu, lắng đọng kim loại và oxit kim loại, lớp phủ polyme hoặc carbon, độ ổn định nhiệt của vật liệu điện cực âm có thể được cải thiện.
3 Cải tiến thiết kế bảo vệ an toàn cho pin
Ngoài việc cải thiện độ an toàn của vật liệu pin, pin lithium-ion thương mại áp dụng nhiều biện pháp bảo vệ an toàn, chẳng hạn như đặt van an toàn cho pin, cầu chì nhiệt, kết nối các thành phần có hệ số nhiệt độ dương theo chuỗi, sử dụng màng ngăn cách nhiệt, tải mạch bảo vệ chuyên dụng, và Hệ thống quản lý pin chuyên dụng, v.v., cũng là một phương tiện để tăng cường bảo mật.
Năm nhà cung cấp giải pháp an toàn cho pin lithium-ion
Khi tính an toàn của pin lithium-ion ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý, nhiều công ty đã tiến hành nghiên cứu và phát triển đặc biệt cho các mối nguy an toàn tiềm ẩn trong pin lithium-ion, đồng thời đưa ra các giải pháp an toàn hiệu quả cho pin.
Là nhà nghiên cứu sớm nhất về công nghệ cảnh báo và an toàn khi chạy bằng pin điện trong nước và là nhà tiên phong về thiết bị chữa cháy tự động đặc biệt trong hộp pin, Chuangwei New Energy đã đi tiên phong trong" mô hình chạy nhiệt pin lithium-ion" ;, which thúc đẩy giám sát nhiệt chạy qua hộp pin và chữa cháy tự động. Ứng dụng công nghệ trên quy mô lớn.
& quot; Mô hình chạy nhiệt pin Lithium-ion" được chia thành ba chiều: dọc, ngang và dọc. Hướng dọc là sự dư thừa dữ liệu của nhiều cảm biến, có nghĩa là, nhiều bộ dữ liệu cảm biến trong cùng một môi trường được lắp để mô phỏng đường cong đặc tính dữ liệu của các vật liệu khác nhau và các môi trường khác nhau; hướng ngang là thuật toán thời gian liên tục cho dữ liệu lịch sử của cảm biến để loại bỏ nhiễu Nhiễu giải quyết hiệu quả các vấn đề về cảnh báo sai, cảnh báo sai và độ trễ cảnh báo sớm trong phương pháp ngưỡng; chọc thủng dọc, tồn đọng kim cùn và các phương pháp khác được sử dụng để mô phỏng quá trình thoát nhiệt của các loại pin điện khác nhau.
Thông qua phản ứng tổng hợp ba chiều, các phương pháp toán học, dựa trên một số lượng lớn các thí nghiệm và dữ liệu vận hành thực tế, mối quan hệ nội tại giữa các biến số khác nhau gây ra bởi sự chạy trốn nhiệt được tóm tắt và các nguyên tắc thần kinh được sử dụng để hình thành -kinh doanh" ion liti" Mô hình chạy bằng nhiệt của pin" nhận ra cảnh báo sớm và kiểm soát thông minh các nguy cơ tiềm ẩn trong tuổi thọ pin.
Một số lượng lớn các ví dụ cảnh báo sớm xảy ra trong thực tế vận hành xe đã chứng minh tính hiệu quả và tiến bộ của mô hình này, trở thành công nghệ cốt lõi của cảnh báo nhiệt chạy qua hộp ắc quy và dập lửa tự động hiện nay.
Pin Benwei Thâm Quyến là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên về R& D, sản xuất và kinh doanh pin lithium-ion. Các lĩnh vực ứng dụng sản phẩm của nó bao gồm: pin lithium xe điện, pin điện lithium, pin lithium lưu trữ năng lượng, v.v. Công ty và các nhà sản xuất tế bào pin duy trì sự ổn định lâu dài trong mối quan hệ hợp tác và áp dụng các thành tựu và khái niệm công nghệ mới nhất cho toàn bộ loạt sản phẩm các quy trình phát triển. Xưởng sản xuất được trang bị thiết bị sản xuất tiên tiến và dụng cụ kiểm tra hạng nhất. Đồng thời, nó có một nhóm sản xuất chuyên nghiệp và đội quản lý chất lượng, nghiêm ngặt từng bước trong liên kết sản xuất, và thông qua liên tục tối ưu hóa và cải tiến trong quy trình để đảm bảo an toàn cho pin.
