Jako podstawowe źródło zasilania nowoczesnych urządzeń elektronicznych i pojazdów elektrycznych, akumulatory litowo-jonowe- są szeroko stosowane w smartfonach, pojazdach elektrycznych (EV) i lekkich pojazdach elektrycznych (PLEV), takich jak-skutery elektryczne i-rowery elektryczne. Pomimo zalet, takich jak wysoka gęstość energii, długi cykl życia i szybkie ładowanie, niestabilność termiczna (TR) pozostaje najpoważniejszym zagrożeniem dla bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych. Kiedy temperatura akumulatora przekracza krytyczny próg (zwykle 150-180 stopni), uruchamia to niekontrolowany cykl samonagrzewania, w wyniku którego uwalniana jest duża ilość ciepła i toksycznych gazów, co prowadzi do pożaru, a nawet eksplozji.
W związku z częstym występowaniem wypadków związanych z pożarami akumulatorów PLEV, szczególnie pilne stało się dokładne zrozumienie mechanizmu niekontrolowanej temperatury i podjęcie środków zapobiegawczych. W tym artykule przeprowadzona zostanie systematyczna analiza od mechanizmu po rozwiązania.
I. Podstawowe cechy niestabilności termicznej
Ucieczka termiczna to łańcuchowa reakcja chemiczna zachodząca, gdy szybkość wytwarzania ciepła w akumulatorze litowym-jonowym przekracza jego zdolność rozpraszania ciepła, charakteryzującą się-samopodtrzymującym się przyspieszeniem aż do zużycia wszystkich materiałów palnych w akumulatorze. Do jego głównych przejawów należą:
1. Niekontrolowany wzrost temperatury
- Próg wyzwalania: Reakcje egzotermiczne zachodzą pomiędzy elektrolitem a materiałami elektrody w temperaturze 150-180 stopni.
- Szybkość wzrostu temperatury: Ciepło uwolnione w wyniku reakcji może spowodować wzrost temperatury powyżej 1000 stopni.
- Ryzyko rozprzestrzeniania się: Wysokie temperatury mogą powodować rozprzestrzenianie się ciepła w sąsiednich ogniwach akumulatora.
2. Erupcja gazu i pęknięcie powłoki
- Skład gazu: W wyniku rozkładu elektrolitu powstają łatwopalne i toksyczne gazy, takie jak wodór i tlenek węgla.
- Nagromadzenie ciśnienia: Nagły wzrost ciśnienia wewnętrznego szczelnej osłony prowadzi do pęknięcia.
- Katastrofy wtórne: Wybuchające gazy mogą eksplodować w przypadku zetknięcia się z iskrami.
3. Uwolnienie pożaru i toksycznego gazu
- Charakterystyka spalania: Temperatura płomienia przekracza 1000 stopni, a materiały katodowe rozkładają się, uwalniając tlen, który wspomaga spalanie.
- Tradycyjna metoda gaszenia przez uduszenie jest nieskuteczna i wymaga ciągłej kontroli chłodzenia.
- Emisje toksyczne: Uwolnienie żrących gazów, takich jak kwas fluorowodorowy (HF), które uszkadzają drogi oddechowe.
4. Mechanizm propagacji ciepła
II. Analiza czterech czynników wywołujących niekontrolowaną reakcję termiczną
1. Nadużycie mechaniczne
- Kolizja i przebicie: Siły zewnętrzne powodują uszkodzenie separatora, co prowadzi do wewnętrznych zwarć (np.-upadki pojazdów).
- Zmęczenie wibracjami: ciągłe wibracje powodują mikro-pęknięcia elektrod, zwiększając ryzyko miejscowego przegrzania.
- Sugestie dotyczące zabezpieczeń technicznych: w projektowaniu konstrukcyjnym modułów akumulatorów zastosowanie-wytrzymałych połączeń pasków miedzianych SMT może poprawić stabilność mechaniczną i zmniejszyć-mikro-uszkodzenia wywołane wibracjami.
2. Nadużycia elektryczne
- Przeładowanie lub nadmierne rozładowanie powoduje pogorszenie struktury wewnętrznej
- Overcharging (>4,2 V/ogniwo): Powłoka litowa na anodzie tworzy dendryty, które przenikają do separatora.
- Nadmierne-rozładowanie (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Awaria BMS: System zarządzania baterią działa nieprawidłowo i nie może zapobiec nieprawidłowym stanom.
3. Przemoc termiczna
- Wysoka temperatura otoczenia: Akumulatory są narażone na działanie temperatur powyżej 60 stopni (np. wewnątrz pojazdów narażonych na intensywne światło słoneczne).
- Niewystarczające odprowadzanie ciepła: Baterie w modułach są ułożone zbyt gęsto, co powoduje akumulację ciepła.
- Wady zarządzania ciepłem: Brak efektywnego projektu ścieżki odprowadzania ciepła.
4. Wady produkcyjne
- Zanieczyszczenia metaliczne:-mikronowe cząstki metalu pozostałe w procesie produkcyjnym przedostają się do separatora.
- Wady separatora: Nierówna powłoka prowadzi do lokalnego uszkodzenia izolacji.
- Gorsze ogniwa: podrabiane akumulatory nie posiadają zaworów bezpieczeństwa (CID) ani zabezpieczenia przed dodatnim współczynnikiem temperaturowym (PTC).
Ⅲ.System technologii zapobiegania ucieczce termicznej
1. Udoskonalenia w projektowaniu zarządzania ciepłem
- Bariery termoizolacyjne: Powłoki ceramiczne/materiały aerożelowe służą do opóźnienia propagacji ciepła.
- Systemy chłodzenia: pojazdy elektryczne: rurociągi z obiegiem cieczy chłodzącej; PLEV: ulepszone radiatory + konstrukcja chłodzenia powietrzem.
- Optymalizacja strukturalna: Na poziomie modułu rozsądny układ pasków miedzianych SMT o wysokiej przewodności cieplnej może zapewnić efektywne boczne ścieżki rozpraszania ciepła, a w połączeniu z materiałami o przemianie fazowej poprawiać równowagę cieplną.
2. Inteligentny system zarządzania baterią (BMS)
- Potrójne monitorowanie: wykrywanie-napięcia, prądu i temperatury w czasie rzeczywistym.
- Aktywna ochrona: automatyczne-wyłączanie w przypadku przeładowania/nadmiernego-rozładowania; Dynamiczne równoważenie napięć ogniw.
- Mechanizm wczesnego ostrzegania: Bezprzewodowa transmisja nieprawidłowych sygnałów alarmowych.
3. Materiały iskrobezpieczne
Porównanie różnych materiałów akumulatorowych
4. Środki ochrony-po stronie użytkownika
- Specyfikacje ładowania: Używaj oryginalnych ładowarek; Unikaj ładowania w nocy; Utrzymuj poziom naładowania pomiędzy 20% a 80%.
- Wymagania dotyczące przechowywania: Chłodne i wentylowane pomieszczenie, z dala od substancji łatwopalnych.
- Identyfikacja nieprawidłowości: Natychmiast przestań go używać, gdy wykryte zostanie wybrzuszenie lub specyficzny zapach.
Ⅳ. Najnowocześniejsze-technologie monitorowania
- Normy regulacyjne: Egzekwuj certyfikaty bezpieczeństwa, takie jak UL 2271 i IEC 62619.
- Obowiązki producenta: Utworzenie systemu identyfikowalności komórek; Wyeliminuj obieg gorszych akumulatorów.
- Innowacje technologiczne: Promuj technologię terminali do spawania laserowego, aby zapewnić niezawodność połączeń elektrycznych i zmniejszyć lokalne przegrzanie spowodowane rezystancją styków.
Ⅴ.Zakończenie
Wraz z szybkim rozwojem branży transportu elektrycznego i magazynowania energii zapobieganie niekontrolowanym zmianom temperatur w akumulatorach litowo-jonowych- wymaga wielowymiarowej-współpracy w zakresie badań i rozwoju materiałów, projektowania inżynieryjnego i edukacji użytkowników. Optymalizując projekty zarządzania ciepłem (takie jak schematy przewodzenia ciepła z taśm miedzianych SMT), popularyzując inteligentne systemy BMS i promując bezpieczne systemy chemiczne, takie jak LFP, możemy zbudować bardziej niezawodny ekosystem magazynowania energii.
