Visoka varnost nikljevih litijevih baterij je postala soglasje, vendar so polprevodniške litijeve baterije zdaj razdeljene
Trg električnih vozil, ki spoštuje gostoto energije, je prinesel velike izzive za varnost baterijskih sklopov in celotnih vozil. Leta 2018 je bilo na Kitajskem 52 varnostnih nesreč na milijon električnih vozil. Kar zadeva prizore, so polnjenje, vožnja in parkiranje vsi prizori, kjer se zgodijo varnostne nesreče.
Če analiziramo razloge, je 58 % požarnih nesreč posledica toplotnega uhajanja litijevih baterij. Skoraj 90 % toplotnega pobega je posledica kratkega stika. Na ravni celice so pozitivni in negativni materiali, elektrolit in membrana neposredna varovalka za toplotni pobeg. Po razvrščanju v skupine je način zatiranja toplotne difuzije v strukturnem načrtovanju, hlajenju in električnem nadzoru povezan s tem, ali je mogoče zmanjšati ali zadušiti tveganje toplotnega pobega.
Od 16. do 17. oktobra 2019 je v Šanghaju potekala konferenca o tehnologiji novih energetskih baterij nove generacije 2019 Kitajska-Japonska-Koreja. Konferenca je razdeljena na dva foruma, teme so termična varnost in rešitve baterij ter ključna tehnologija polprevodniških baterij in izzivi industrializacije.
Forum 1, proizvajalci originalne opreme, podjetja za električne baterije, znane univerze, laboratoriji in preizkuševalne ustanove bodo razpravljali o vzrokih in rešitvah za toplotno uhajanje baterij z visoko vsebnostjo niklja, saj se specifična energetska raven akumulatorjev še naprej povečuje. Forum 2 govori o analizi različnih poti tehnologije polprevodniških baterij in statusa quo.
Sistem za prikaz toplotne varnosti
Celoten življenjski cikel električnega akumulatorja se začne od izbire materialnega sistema, do dokončanja baterijske celice, oblikovanja modulov in paketov, upravljanja baterije po namestitvi in uporabi do uporabe pri delovanju vozila.
Glavni vzrok toplotnega pobega je baterija. Pozitivna in negativna elektroda sta"varovalka" in elektrolit je"skladiščenje goriva". Potrebuje samo"iskrico" povzroči toplotni pobeg ali požar.
& quot;Iskre" prihajajo iz notranjosti celice ali nastajajo od zunaj. Notranji dejavniki se večinoma nanašajo na nestabilne dejavnike, ki nastanejo med načrtovanjem in proizvodnjo baterije; zunanji dejavniki se v glavnem nanašajo na razloge, ki jih povzročajo osebje in zunanji pogoji med transportom, namestitvijo, delovanjem in vzdrževanjem akumulatorja.
Izpad toplotne varnosti akumulatorja je predvsem posledica lokalnega pregrevanja, ki povzroči kratek stik v notranjosti baterije ali pa mikro kratek stik povzroči poškodbo membrane akumulatorja in kratek stik večje površine.
Litij-ionske baterije so bile nadgrajene z NCM111 in NCM523 na NCM622 in NCM811. Vsebnost niklja v ternarnem materialu pozitivne elektrode se še naprej povečuje, temperatura sproščanja kisika še naprej pada, toplotna stabilnost materiala pozitivne elektrode pa je vedno slabša. Znižanje temperature sproščanja kisika pomeni, da je litijeva baterija bolj odporna na toploto. Ko se temperatura dvigne, se material pozitivne elektrode spremeni iz večplastne strukture v strukturo hrbtenice, nato pa tvori kameno sol in sprošča aktivni kisik. Rast kamene soli in sproščanje kisika sta temeljni problemi, ki jih povzroča toplotni pobeg.
Elektrokemična zloraba je največji problem za tovarne baterijskih celic. V pogojih zlorabe, kot so toplotni šok, prenapolnjenost in prekomerno praznjenje, bo aktivna snov in elektrolit v bateriji proizvedla litijeve dendrite, ki prebodejo membrano in povzročijo notranji kratek stik. Razvoj litija v negativni elektrodi je glavni vzrok za rast litijevih dendritov. Zato je pomembno vprašanje, kako preprečiti litijeve dendrite.
Kratek stik pozitivnih in negativnih elektrod, ki nastane zaradi okvare membrane, je pomemben del toplotnega bega. Ko je varnostni film filma SEI uničen, elektrolit reagira z elektrodo in ustvari toploto, ki bo stopila membrano. Poleg tega so sovražnik, ki je obrnjen proti diafragmi, litijevi dendriti, ki ogrožajo njeno celovitost in stabilnost.
Poleg okvare baterije zaradi notranjega kratkega stika, prekomernega polnjenja, staranja baterije itd., se bo mehanska okvara v ekstremnih pogojih, kot so zunanji kratek stik, iztiskanje, požar, potopitev in simulirani trk, pretvorila tudi v notranji kratek stik in povzročila električno okvara, ki bo sčasoma povzročila toplotni pobeg.
Nekatere okvare in poslabšanje delovanja, ki se lahko pojavijo med celotnim življenjskim ciklom baterije', bodo povzročile, da se baterije uporabljajo zunaj območja varne uporabe in povzročile nekaj varnostnih nesreč.
Tovarna baterij in OEM delujeta skupaj
Notranji in zunanji vzroki toplotnega uhajanja zahtevajo sodelovanje proizvajalcev baterij in proizvajalcev originalne opreme, da bi zagotovili celovito rešitev, vključno s pozitivnimi in negativnimi materiali, separatorji, elektrolitom, upravljanjem baterije in zasnovo strukture PACK.
Za tovarne baterij poiščite visokotlačne in visokotemperaturno odporne ognjevarne elektrolite, visokotemperaturno odporne monokristalne katodne materiale, anodne materiale, ki zavirajo litijeve dendrite, ali uporabite katode NMC811, prevlečene z zaščitnimi sredstvi, da izboljšate suhost. Uporaba francoske diafragme uvaja keramično membrano za zatiranje toplotnega uhajanja na ravni celice.
Za proizvajalce originalne opreme paziti na varnost same baterije še zdaleč ni dovolj. Poleg težav same baterije so jedro varnosti električnih vozil električni priključek akumulatorja, mehanska varnost, priključek za polnjenje, težave pri vsakodnevni uporabi in hitro reševanje težav.
OEM's varnostni sistem za zaščito akumulatorja je zasnovan in preverjen s štirih vidikov: monomer, modul, BMS in sistem. Po eni strani proizvajalci baterij sami zagotavljajo varnost pri načrtovanju in proizvodnih povezavah. Po drugi strani proizvajalci originalne opreme upoštevajo mehansko, električno in toplotno varnost z vidika varnosti modulov, kot so varnostna razdalja, zasnova sile in zaščita.
V smislu montažne strukture morajo proizvajalci originalne opreme upoštevati različne pogoje delovanja vozila, pa tudi hladilne cevovode, nove tehnologije hlajenja, zgodnje opozarjanje na toplotni pobeg in neširjenje. Hkrati morajo razmisliti o aktivnem gašenju požara in načinu gašenja požarov preko zunanjih konstrukcij.
Izdelovalci originalne opreme na splošno razmišljajo o tem, kako izboljšati zasnovo varnosti baterijskega paketa s sistemske ravni. Ne glede na to, ali gre za pozitivne in negativne elektrodne materiale, elektrolite, diafragme, strukturno zasnovo, hlajenje, toplotno upravljanje in previdnostna opozorila PACK po skupini, so vsi predmeti analize OEM.
Varnost litijevih baterij je velika tema, ki vključuje vse vidike od materialov, proizvodnje do uporabe. Zagotavljanje toplotne varnosti električnih vozil zahteva sodelovanje proizvajalcev originalne opreme, tovarn baterij in preizkuševalnih institucij, da analizirajo mehanizem toplotnega pobega in raziščejo nove tehnologije za odložitev nastanka toplotnega pobega.
Različni zvoki polprevodniških baterij
Gibanje električnih vozil naprej kaže, da specifični energijski standard električnih baterij ne bo šel nazaj. Uporaba visokopotencialnih pozitivnih in negativnih materialov je postala trend, na tehničnih poteh tovarn baterij pa se vse pogosteje pojavljata NCM811 in silicijeve ogljikove anode. Toda nevarnost požara še vedno ogroža uporabo baterij z visoko vsebnostjo niklja. Zato so proizvajalci baterij in proizvajalci originalne opreme usmerili pozornost na ognjevarne, visokotlačno odporne polprevodniške elektrolite, v upanju, da bodo rešili problem ravnovesja med specifično energijo in varnostjo.
Vendar pa so na tej konferenci Kitajska-Japonska-Koreja pogledi kitajskih in japonskih gostov na raziskave in uporabo polprevodniških baterij zelo različni, kar izpodbija inherentna stališča industrije' o polprevodniških baterijah. . Glede na usklajena prizadevanja mesta za varnostne rešitve z visoko vsebnostjo niklja se mesto za polprevodniške baterije premika naprej v razlikah.
Japonski 30-letni strokovnjak za polprevodniške baterije dr. Tadahiko Kubota, nekdanji japonski strokovnjak za jedra baterij Toyote in Honda Ogi Eiki, komentarje o trenutnem stanju raziskav polprevodniških baterij lahko opišemo kot"pesimistično" ;. Polprevodniške baterije je precej težko uporabiti v električnih vozilih. Po drugi strani pa domače tovarne baterij, kot so Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Kitajska akademija znanosti, univerza Tongji in univerza Jiaotong v Šanghaju, neutrudno delajo na polprevodniških baterijah.
Mnenja japonskih strokovnjakov lahko povzamemo takole: Toyota Sulfide je še v fazi raziskav in razvoja, množična proizvodnja pa je ob trenutni ravni tehnologije nemogoča. Njegov prvotni namen razvoja polprevodniških baterij je bil zmanjšati porabo baterij za hibridna vozila. Zunanji svet zmotno verjame, da se v električnih vozilih uporabljajo polprevodniške baterije. To je razlika med notranjim razmišljanjem Toyote&in zunanjim javnim mnenjem.
Z vidika varnosti lahko polprevodniške baterije proizvajajo tudi litijeve dendrite, varnost pa je zelo zaskrbljujoča. In o njegovi varnosti ni mogoče soditi po tem, ali je elektrolit vnetljiv. Najpomembnejši problem je neposreden stik med pozitivno elektrodo in negativno elektrodo z visoko energijsko gostoto.
Popolnoma polprevodniške baterije lahko povečajo gostoto energije, eden od razlogov je, da je mogoče zmanjšati zunanje materiale. A to ni samo značilnost polprevodniških baterij.
Kar zadeva hitro polnjenje, Toyotin dokument' in večina raziskovalcev ni potrdila nobenega dokaza, da je mogoče vse polprevodniške baterije hitro polniti. Vsi so rekli, da med polnjenjem nastanejo litijevi dendriti. Več ljudi, ki razumejo polprevodniške baterije, bolj zanikajo, da jih je mogoče hitro napolniti.
Večina Toyotinih patentov' v zadnjem desetletju je povezanih z impedanco. Ta problem preučuje že pred desetimi leti in je še vedno velik problem.
Pogledi na domače tovarne baterij: Širjenje pravih požarov je neposredno povezano z organskimi tekočimi elektroliti. Trdni elektroliti, od polimerov do keramičnih elektrolitov, lahko do različnih stopenj izboljšajo varnost baterije. Kar zadeva varnost in gostoto energije, so bile polprevodniške baterije v preteklosti izboljšane v primerjavi z običajnimi tradicionalnimi litij-ionskimi baterijami. Predpostavka je, da moramo imeti dobro tehnologijo, da rešimo problem vmesnika, in zagotovimo, da se trdni elektrolit lahko prilagodi zasnovi baterije in izpolnjuje zahteve po energijski bateriji z visokim razmerjem.
Verjamemo, da imajo polprevodniške baterije v nekaterih pogledih prednosti. Ko se membrana in elektrolit zamenjata s trdnimi snovmi, bo imela večjo varnost. Ko se poveča varnostni prag celotnega sistema, lahko ta sistem uporablja pozitivne in negativne materiale z visokim potencialom, kot so litijeve kovinske negativne elektrode, in bo imel v prihodnosti višjo gostoto energije.
Trenutno razmišljanje je, da je čim bolj združljiv z obstoječo opremo litijevih baterij in tehnologijo litijevih baterij ter čim bolj zmanjšati stroške. Ker imajo polprevodniške baterije visoko energijsko gostoto in visoko varnost, jih je mogoče najprej uporabiti v nekaterih posebnih situacijah.
Prednost polprevodniških baterij glede gostote energije relativno ni očitna na ravni celice in je bolj izrazita na ravni PACK. Do leta 2021 bodo polprevodniške baterije uporabljale aktivne materiale z višjo stopnjo izkoriščenosti, gostota energije na ravni celic pa bo enaka kot pri tekočih baterijah, nato pa jo bo postopoma presegla.
Čeprav imajo domači in tuji strokovnjaki spore o energijski gostoti in varnosti polprevodniških baterij, v bistvu menijo, da je komercialna uporaba polprevodniških baterij dolgotrajen proces za odpravo nekaterih pomanjkljivosti tekočih baterij. Zato je mogoče polprevodniške baterije najprej uvoziti s področja motociklov in potrošniške elektronike, nato pa vstopiti na področje električnih vozil, ko so tri razsežnosti varnosti, zmogljivosti in stroškov zrele.
