Anvendelse og sikkerhedsproblemer af lithium-ion-batterier:Lithium-ion-batterier er meget udbredt på grund af deres høje energitæthed, høje udgangseffekt og høje gennemsnitlige udgangsspænding. Der sker dog ulykker forårsaget af batterifejl hvert år, og få mennesker forstår aktivt sikkerhedsrisici. Derfor er det afgørende at identificere og afbøde sikkerhedsrisiciene ved lithiumbatterier.
Hovedindholdet i artiklen:Først analyseres fænomenet termisk runaway, og forskellige overvågningssystemer diskuteres. Derefter understreges anvendelsen af fiber Bragg-gittersensorer (FBG) i realtidsdetektering af batteridata. Til sidst opsummeres metoder til at reducere sikkerhedsproblemer i lithiumbatterier, herunder brugen af elektrodeoverfladebelægninger, elektrolytter, separatorer og undertrykkelse af lithiumdendritvækst. Dette indhold har referenceværdi for fremtidig forskning i lithiumbatterisikkerhed.
1. Introduktion
Anvendelsen og sikkerhedsproblemerne for lithium-ion-batterier er fremhævet:Udviklingen af vedvarende energi er en trend i tiden, og batterier er allestedsnærværende i dagligdagen. Lithium-ion-batterier er meget udbredte og afgørende for udviklingen af nye energifelter. Men i de senere år har deres overophedningsproblem påvirket udviklingen af elektriske køretøjer, og batterisikkerheden har givet anledning til bekymring.
Forskningsretning og formål med artiklen:Forskere bruger forskellige teknologier til at forbedre sikkerheden ved lithium-ion-batterier. I øjeblikket er sikkerhedsovervågningsforskning om batteritermisk løbsk forudsigelse og advarselsmetoder en populær retning. Artiklen har til formål at opsummere relevante avancerede metoder og introducere de seneste forskningsfremskridt.
2. Nuværende metoder til forbedring af sikkerhedsfaktorer
Årsag til sikkerhedsulykke:Når lithiumbatterier bruges forkert (såsom overopladning, overophedning, stød, kortslutning), stiger temperaturen unormalt, hvilket forårsager interne kemiske reaktioner og producerer gas og røg. Sikkerhedsventilen åbner, og varmen øger temperaturen yderligere, hvilket kan føre til forbrænding eller eksplosion.
Måder at forbedre sikkerheden på:omfatter primært overvågning og undgåelse af sikkerhedsuheld, opgradering af batteristrukturer eller udskiftning af problematiske komponenter.
Specifikke metoder til at forbedre sikkerheden ved lithium-ion-batterier
Forhindrer termisk flugt
Termisk runaway princip:Den eksoterme reaktion af materialer inde i batteriet får batteriet til hurtigt at varme op og frigive kemisk energi. Flere faktorer kan forårsage overophedning, såsom strukturel deformation, kortslutning, overopladning, ældning af komponenter, fejl i kølesystemet osv. Batteriernes høje energitæthed og brugen af brændbare elektrolytter øger risikoen for termisk løb.
Kølesystem:Forskere har udviklet batteri termiske styringssystemer (BTMS), herunder luftkøling og væskekølesystemer, men begge har ulemper. Hybridkølesystemet kombinerer fordelene ved begge og kan bedre regulere og styre batteriets varmeafledning, og det specifikke valg bør afgøres efter situationen.
| Kølesystemer | Fordele | Ulemper |
|
Luftafkølet BTMS |
Let i strukturen Lave omkostninger i udvikling og opretholdelse. |
1. Lav varmeledningsevne og sårbarhed over for termisk smeltning. 2. Svær at bruge i elektriske køretøjer. |
|
Væskeafkølet BTMS |
Høj varmekapacitet og termisk ledningsevner. |
1. Udsat for væskelækage 2. Svært at forbedre systemet på grund af kompleks struktur |
| Hybrid BTMS | Bedre køleeffektivitet | 1. Flere komponenter og kompleksitet |
Fiber Bragg gittersensor (FBG)
Overvågningsprincip:Forebyg sikkerhedsrisici ved at overvåge flere symptomer på batteriet i realtid. Moderne metoder reflekterer ofte indirekte batteriets tilstand ved at overvåge varmeflow eller detektere elektrodebrud, mens FBG-sensorer direkte eller indirekte kan måle temperaturen og belastningsresponsen inde i og uden for batteriet og studere elektrolytnedbrydning gennem interaktionen mellem lys båret af optiske fibre og det omgivende kemiske miljø.
Fordele:FBG-sensorer har egenskaberne af minimalt invasiv, anti-elektromagnetisk interferens og isolering. De kan stadig nøjagtigt levere data under høj temperatur og højt tryk. Når indikatorerne når den kritiske værdi, kan batteridriften justeres eller afsluttes rettidigt, hvilket forbedrer sikkerheden ved batteribrug.
|
Temperatur Overvågning |
Ekstern temperaturovervågning: FBG sensor er direkte fastgjort til overfladen af batteriet (som kan være i form af en mønt eller cylinder) for at opnå temperaturdetektion i realtid. |
|
Intern temperaturovervågning: er direkte implanteret i batteriet til intern temperaturdetektion. |
|
| Strain overvågning |
Ekstern belastningsovervågning: FBG overvåger den eksterne belastning forårsaget af faktorer som temperaturændringer, mekanisk kompression eller stød. |
|
Intern belastningsovervågning: FBG overvåger belastningen inde i batteriet under brug eller under op- og afladning. |
|
| Samtidig overvågning af temperatur og belastning | |
Forbedre batteriseparatoren for at stabilisere batteriet
Rollen og designudfordringerne ved en separator:En separator er en fysisk barriere i et batteri, der forhindrer direkte kontakt mellem de positive og negative elektroder og rummer elektrolytter for at fremme ionbevægelse. Designet skal balancere mekanisk holdbarhed og porøsitet eller transportydelse, hvilket gør det til en udfordring at bruge i storskala batterisystemer.
Forbedringsmetode:Den nuværende forskning fokuserer hovedsageligt på at forbedre kommercielle polyolefin (PP) membraner, såsom coating eller podning af organiske/uorganiske forbindelser, og behandling af overfladen med varmebestandige forbindelser. Elektrospinningsteknologi kan også bruges til at fremstille nanofibermembraner, som kan øge den termiske stabilitet. Tilføjelse af hydrofile materialer kan forbedre ydeevnen og hæmme væksten af lithiumdendrit.
Ikke brændbar polymer elektrolyt
Traditionelle elektrolytproblemer og forbedringsretninger:Traditionelle elektrolytter kan opleve termisk løb under ekstreme forhold, hvilket fører til oxidation, blanding af elektrodemateriale og endda eksplosion. Forbedring kræver omfattende overvejelser om de fysiske og kemiske egenskaber og stabiliteten af elektrolytter og elektroder. Faste polymerelektrolytter (SPE'er) er den fremtidige trend uden lækage, høj mekanisk styrke og stabilitet, hvilket kan reducere volumenændringen af elektrodematerialer.
| SPE-typer | Karakteristika |
| SPE'er af polyethylenoxid |
1. Højere ledningsevne 2. Justerbar størrelse 3. Lavere omkostninger 4. Fremragende elektrokemiske egenskaber |
| Polysiloxane SPE'er |
1. Bedre termisk stabilitet 2. Ikke brændbarhed 3. Højere dielektriske konstanter |
Karakteristika og flammehæmmere af SPE'er:Forskellige SPE'er har forskellige fordele, såsom høj ledningsevne og justerbar størrelse af polyethylenoxid SPE'er; Polysiloxane SPE'er har god termisk stabilitet og er ikke brændbare. De fleste SPE'er kræver tilsætning af flammehæmmere, og uorganiske flammehæmmere er sikrere og billigere, hvilket kan forbedre ydeevnen af SPE'er og hæmme lithiumdendritvækst. Imidlertid er SPE-forskning relativt ny, og deres anvendelser er begrænsede, og kommercielle elektrolytter kan ikke erstattes.
| Flammehæmmende | Egenskaber |
| Halogen flammehæmmende |
1. Ultralet, ultratyndt 2. Svært at antænde 3. Genererede frie radikaler afbøder pyrolyse 4. Produktet fortynder koncentrationen af brændbare gasser og oxygen |
| Organofosfor flammehæmmere |
1. Bedre brandsikkerhed 2. Batteriernes cyklusstabilitet blev forbedret 3. Væksten af lithiumdendritter blev hæmmet 4. Nedbrydningsprodukter kan kombineres med brændbare frie radikaler |
|
Uorganisk fosforbaseret flamme Retardanter |
1. Lav toksicitet 2. Lav pris 3. Kan gøre ladningen på overfladen af metal lithium ensartet 4. Undgå lithiumdendritter. |
| Uorganisk Nano-Filler flammehæmmende |
1. Lette bevægelsen af lithium-ioner og forbedre ion ledningsevne. 2. Undgå vækst af lithiumdendritter 3. Evne til at hæmme termisk udbredelse 4. Forbedret termisk stabilitet |
Hæmning af lithium dendrit vækst
Dannelse og farer ved lithiumdendritter:Lithiumdendritter er forårsaget af ujævn aflejring af lithiumioner under migreringen af positive og negative elektroder, hvilket kan føre til elektrodeudvidelse, reduceret Coulombic effektivitet, nedsat batterikapacitet og forringelse af sikkerhedsydelsen, hvilket i sidste ende resulterer i batterifejl.
Hæmningsmetode:Inhiber fra to retninger: elektrolyt og lithiummetal negativ elektrode. Tilføjelse af additiver til elektrolytter kan forbedre funktionaliteten af det faste elektrolytgrænsefladelag (SEI), såsom lithiumpolysulfider og lithiumnitrat, som effektivt kan hæmme dannelsen af lithiumdendritter; Fra elektrodernes perspektiv kan tredimensionelle negative lithiumelektroder reducere volumenændringen af negative elektroder, såsom grafenkompositelektroder. Der er også nogle nye SEI-lag, der effektivt kan hæmme lithiumdendritvækst.
Overfladebelægningselektrodemetode
Rollen og anvendelsen af overfladebelægning:Overfladebelægning er hovedteknologien til at beskytte katoder og forbedre den termiske stabilitet af katodematerialer, som kan undertrykke faseovergang og forbedre materialets ledningsevne. Brugen af overfladebelægningsteknologi i nikkel-kobolt-mangan-ternære (NMC) katodematerialer kan forbedre mikrostruktur, elektrokemisk ydeevne, termisk ledningsevne, iondiffusionskoefficient og termisk stabilitet, reducere indre strukturelle skader, øge cyklusstabiliteten og forhindre metalionudvaskning.
Specifikke metoder og effekter:Hvis "coating+perfusion" syntetisk metode bruges til at coate specifikke materialer ved stuetemperatur, eller sol gel-teknologien bruges til at skabe en ensartet coating på katodeoverfladen ved lav temperatur, kan cyklusstabiliteten forbedres væsentligt.
| Aspekt(er) | Forbedring efter belægning |
| Mikroskopisk morfologi og struktur |
1. En mere kompakt overfladestruktur i positiv elektrode og bestilt gitterstruktur 2. En øget stabilitet. |
| Karakterisering af elektrokemisk ydeevne |
1. Betydeligt forbedret cyklusstabilitet 2. Materiale multiplikator øget 3. Materialemodstand reduceret 4. Elektrontransportydelse forbedret |
|
Termisk ledningsevne, iondiffusionskoefficient og termisk stabilitet |
1. Varmeoverførselsydelsen af rene materialer forbedret 2. Batterikøling og termisk sikkerhedsydelse forbedret 3. lon diffusionsydelse forbedret |
3. Resumé
Metode klassificering:Metoder til at forbedre sikkerheden af lithium-ion-batterier kan groft opdeles i to kategorier: den ene er at overvåge batteriparametre i realtid som et tidligt varslingssystem for at forhindre sikkerhedsulykker, og den anden er at forbedre de interne materialer eller struktur i batteriet.
Specifikke foranstaltninger og effekter
I den første kategori kan batteri termiske styringssystemer (BTMS) forhindre termisk løb, og hybrid BTMS har den bedste køleeffekt, men strukturen er kompleks, og omkostningerne er høje. Fiber Bragg Grating (FBG) sensorer kan overvåge batteritemperatur, belastning og tryk i realtid og kan hurtigt identificere overophedning eller unormale forhold.
I den anden kategori har forskere forbedret sikkerheden ved lithium-ion-batterier ved at forbedre separatorer, elektrolytter, hæmme lithium-dendritvækst og behandle katodeoverfladen.