ლითიუმის ბატარეის უსაფრთხოება

ლითიუმის ბატარეებს აქვთ პორტაბელურობისა და სწრაფი დატენვის უპირატესობები, რატომ არის ტყვიის მჟავა ბატარეები და სხვა მეორადი ბატარეები კვლავ ცირკულირებს ბაზარზე?
ღირებულებისა და აპლიკაციის სხვადასხვა სფეროს პრობლემების გარდა, კიდევ ერთი მიზეზი არის უსაფრთხოება.
ლითიუმი მსოფლიოში ყველაზე აქტიური მეტალია.იმის გამო, რომ მისი ქიმიური მახასიათებლები ძალიან აქტიურია, როდესაც ლითიუმის ლითონი ექვემდებარება ჰაერს, მას ექნება სასტიკი დაჟანგვის რეაქცია ჟანგბადთან, ამიტომ მიდრეკილია აფეთქების, წვის და სხვა ფენომენებისკენ.გარდა ამისა, რედოქსის რეაქცია ასევე მოხდება ლითიუმის ბატარეის შიგნით დატენვისა და განმუხტვის დროს.აფეთქება და სპონტანური წვა ძირითადად გამოწვეულია ლითიუმის ბატარეის დაგროვებით, დიფუზიით და გაცხელების შემდეგ.მოკლედ, ლითიუმის ბატარეები გამოიმუშავებენ უამრავ სითბოს დატენვის და განმუხტვის პროცესში, რაც გამოიწვევს ბატარეის შიდა ტემპერატურის აწევას და ცალკეულ ბატარეებს შორის არათანაბარ ტემპერატურას, რაც გამოიწვევს ბატარეის არასტაბილურ მუშაობას.
ლითიუმ-იონური ბატარეის არაუსაფრთხო ქცევა (მათ შორის ბატარეის გადატვირთვა და გადატვირთვა, სწრაფი დატენვა და განმუხტვა, მოკლე ჩართვა, მექანიკური ბოროტად გამოყენების პირობები, მაღალი ტემპერატურის თერმული შოკი და ა.შ.) შესაძლოა გამოიწვიოს სახიფათო გვერდითი რეაქციები ბატარეის შიგნით და წარმოქმნას სითბო. პირდაპირ აზიანებს პასიური ფილმის უარყოფით ელექტროდსა და პოზიტიურ ელექტროდის ზედაპირზე.
ლითიუმის იონური ბატარეების თერმული ავარიების გამომწვევი მრავალი მიზეზი არსებობს.გამომწვევი მახასიათებლების მიხედვით, ის შეიძლება დაიყოს მექანიკური ბოროტად გამომწვევი, ელექტრული ბოროტად გამოყენების გამომწვევი და თერმული ბოროტად გამოყენების გამომწვევი.მექანიკური შეურაცხყოფა: ეხება აკუპუნქტურას, ექსტრუზიას და მძიმე საგნების ზემოქმედებას, რომელიც გამოწვეულია ავტომობილის შეჯახებით;ელექტრო ბოროტად გამოყენება: ძირითადად გამოწვეულია ძაბვის არასწორი მენეჯმენტით ან ელექტრული კომპონენტის უკმარისობით, მოკლე ჩართვის, გადატვირთვისა და გადატვირთვის ჩათვლით;სითბოს ბოროტად გამოყენება: გამოწვეული გადახურებით გამოწვეული ტემპერატურის არასწორი მენეჯმენტით.

გააქტიურების ეს სამი მეთოდი ერთმანეთთან არის დაკავშირებული.მექანიკური ბოროტად გამოყენება ზოგადად გამოიწვევს ბატარეის დიაფრაგმის დეფორმაციას ან რღვევას, რაც გამოიწვევს ბატარეის დადებით და უარყოფით პოლუსებს პირდაპირ კონტაქტს და მოკლე ჩართვას, რაც გამოიწვევს ელექტრული ბოროტად გამოყენებას;თუმცა, ელექტროენერგიის ბოროტად გამოყენების პირობებში, სითბოს გამომუშავება, როგორიცაა ჯოულის სიცხე, იზრდება, რაც იწვევს ბატარეის ტემპერატურის მატებას, რაც გადაიქცევა სითბოს ბოროტად გამოყენებაში, რაც კიდევ უფრო იწვევს ბატარეის შიგნით ჯაჭვური ტიპის სითბოს წარმოქმნის გვერდით რეაქციას და საბოლოოდ იწვევს მოვლენას. ბატარეის სითბოს გაქცევა.
ბატარეის თერმული გაქცევა გამოწვეულია იმით, რომ ბატარეის სითბოს წარმოქმნის სიჩქარე გაცილებით მაღალია, ვიდრე სითბოს გაფრქვევის სიჩქარე, და სითბო გროვდება დიდი რაოდენობით, მაგრამ დროულად არ იფანტება.არსებითად, „თერმული გაქცევა“ არის დადებითი ენერგიის უკუკავშირის ციკლის პროცესი: ტემპერატურის მატება გამოიწვევს სისტემის გაცხელებას და ტემპერატურა მოიმატებს მას შემდეგ, რაც სისტემა გახურდება, რაც თავის მხრივ გახდის სისტემას უფრო ცხელი.
თერმული გაქცევის პროცესი: როდესაც ბატარეის შიდა ტემპერატურა იმატებს, SEI ფილმი SEI ფირის ზედაპირზე იშლება მაღალი ტემპერატურის პირობებში, გრაფიტში ჩაშენებული ლითიუმის იონი რეაგირებს ელექტროლიტთან და შემკვრელთან, რაც კიდევ უფრო აიწევს ბატარეის ტემპერატურას. 150 ℃-მდე და ამ ტემპერატურაზე მოხდება ახალი ძალადობრივი ეგზოთერმული რეაქცია.როდესაც ბატარეის ტემპერატურა აღწევს 200 ℃-ს, კათოდური მასალა იშლება, გამოყოფს დიდი რაოდენობით სითბოს და გაზს, ბატარეა იწყებს ამობურცვას და განუწყვეტლივ თბება.ლითიუმში ჩაშენებულმა ანოდმა დაიწყო რეაქცია ელექტროლიტთან 250-350 ℃ ტემპერატურაზე.დამუხტული კათოდური მასალა იწყებს ძალადობრივ დაშლის რეაქციას, ხოლო ელექტროლიტი განიცდის ძალადობრივ ჟანგვის რეაქციას, ათავისუფლებს დიდი რაოდენობით სითბოს, წარმოქმნის მაღალ ტემპერატურას და დიდი რაოდენობით გაზს, რაც იწვევს ბატარეის წვას და აფეთქებას.
ლითიუმის დენდრიტის ნალექის პრობლემა გადატვირთვის დროს: ლითიუმის კობალატის ბატარეის სრულად დამუხტვის შემდეგ, დიდი რაოდენობით ლითიუმის იონები რჩება დადებით ელექტროდში.ანუ კათოდი ვერ იტევს კათოდზე მიმაგრებულ მეტ ლითიუმის იონებს, მაგრამ გადატვირთულ მდგომარეობაში კათოდზე ჭარბი ლითიუმის იონები მაინც გადაცურავს კათოდამდე.იმის გამო, რომ მათი სრულად შეკავება შეუძლებელია, ლითონის ლითიუმი წარმოიქმნება კათოდზე.ვინაიდან ეს ლითონის ლითიუმი დენდრიტული კრისტალია, მას დენდრიტი ეწოდება.თუ დენდრიტი ძალიან გრძელია, დიაფრაგმის გახვრეტა ადვილია, რაც იწვევს შიდა მოკლე ჩართვას.ვინაიდან ელექტროლიტის ძირითადი კომპონენტია კარბონატი, მისი აალების და დუღილის წერტილი დაბალია, ამიტომ ის დაიწვება ან თუნდაც აფეთქდეს მაღალ ტემპერატურაზე.

თუ ეს არის პოლიმერული ლითიუმის ბატარეა, ელექტროლიტი არის კოლოიდური, რომელიც მიდრეკილია უფრო ძალადობრივი წვისკენ.ამ პრობლემის გადასაჭრელად მეცნიერები ცდილობენ შეცვალონ უსაფრთხო კათოდური მასალები.ლითიუმის მანგანატის ბატარეის მასალას აქვს გარკვეული უპირატესობები.მას შეუძლია უზრუნველყოს, რომ დადებითი ელექტროდის ლითიუმის იონი შეიძლება მთლიანად იყოს ჩასმული უარყოფითი ელექტროდის ნახშირბადის ხვრელში სრული დამუხტვის მდგომარეობაში, ნაცვლად იმისა, რომ ჰქონდეს გარკვეული ნარჩენები დადებით ელექტროდში, როგორიცაა ლითიუმის კობალატი, რაც გარკვეულწილად ხელს უშლის წარმოქმნას. დენდრიტები.ლითიუმის მანგანატის სტაბილური სტრუქტურა მის ჟანგვის ეფექტურობას გაცილებით დაბალია, ვიდრე ლითიუმის კობალატი.მაშინაც კი, თუ არსებობს გარე მოკლე ჩართვა (და არა შიდა მოკლე ჩართვა), მას შეუძლია თავიდან აიცილოს ლითიუმის ლითონის ნალექით გამოწვეული წვა და აფეთქება.ლითიუმის რკინის ფოსფატს აქვს უმაღლესი თერმული სტაბილურობა და ელექტროლიტის დაბალი ჟანგვის უნარი, ამიტომ მას აქვს მაღალი უსაფრთხოება.
ლითიუმის იონური ბატარეის დაბერების შესუსტება გამოიხატება სიმძლავრის შესუსტებით და შიდა წინააღმდეგობის გაზრდით, ხოლო მისი შიდა დაბერების შესუსტების მექანიზმი მოიცავს დადებითი და უარყოფითი აქტიური მასალების დაკარგვას და ხელმისაწვდომი ლითიუმის იონების დაკარგვას.როდესაც კათოდური მასალა დაძველებულია და იშლება, ხოლო კათოდის ტევადობა არასაკმარისია, კათოდიდან ლითიუმის ევოლუციის რისკი უფრო მაღალია.ზედმეტი გამონადენის პირობებში, კათოდის პოტენციალი ლითიუმამდე გაიზრდება 3 ვ-მდე, რაც უფრო მაღალია, ვიდრე სპილენძის დაშლის პოტენციალი, რაც იწვევს სპილენძის კოლექტორის დაშლას.გახსნილი სპილენძის იონები დალექდება კათოდის ზედაპირზე და წარმოქმნის სპილენძის დენდრიტებს.სპილენძის დენდრიტები გაივლიან დიაფრაგმას, რაც გამოიწვევს შიდა მოკლე ჩართვას, რაც სერიოზულად მოქმედებს ბატარეის უსაფრთხოების მუშაობაზე.
გარდა ამისა, დაძველებული ბატარეების გადატვირთვის წინააღმდეგობა გარკვეულწილად შემცირდება, ძირითადად შიდა წინააღმდეგობის გაზრდის და დადებითი და უარყოფითი აქტიური ნივთიერებების შემცირების გამო, რაც გამოიწვევს ჯოულის სითბოს მატებას ბატარეების გადატვირთვის პროცესში.ნაკლები გადატვირთვის შემთხვევაში შეიძლება მოხდეს გვერდითი რეაქციები, რამაც გამოიწვია ბატარეების თერმული გაქცევა.თერმული სტაბილურობის თვალსაზრისით, ლითიუმის ევოლუცია კათოდიდან გამოიწვევს ბატარეის თერმული სტაბილურობის მკვეთრ შემცირებას.
ერთი სიტყვით, დაძველებული ბატარეის უსაფრთხოების მაჩვენებლები მნიშვნელოვნად შემცირდება, რაც სერიოზულ საფრთხეს შეუქმნის აკუმულატორის უსაფრთხოებას.ყველაზე გავრცელებული გამოსავალია ბატარეის ენერგიის შენახვის სისტემის აღჭურვა ბატარეის მართვის სისტემით (BMS).მაგალითად, Tesla Model S-ში გამოყენებულ 8000 18650 ბატარეას შეუძლია განახორციელოს ბატარეის სხვადასხვა ფიზიკური პარამეტრის რეალურ დროში მონიტორინგი, ბატარეის გამოყენების სტატუსის შეფასება და ბატარეის მართვის სისტემის მეშვეობით ონლაინ დიაგნოსტიკა და ადრეული გაფრთხილება.ამავდროულად, მას ასევე შეუძლია განახორციელოს გამონადენი და წინასწარი დატენვის კონტროლი, ბატარეის ბალანსის მართვა და თერმული მართვა.