Bruks- og sikkerhetsproblemer for litium-ion-batterier:Litiumion-batterier er mye brukt på grunn av deres høye energitetthet, høye utgangseffekt og høye gjennomsnittlige utgangsspenning. Imidlertid skjer ulykker forårsaket av batterifeil hvert år, og få mennesker forstår sikkerhetsrisikoer aktivt. Derfor er det avgjørende å identifisere og redusere sikkerhetsrisikoen ved litiumbatterier.
Hovedinnholdet i artikkelen:For det første analyseres fenomenet termisk løping og ulike overvåkingssystemer diskuteres. Deretter vektlegges bruken av fiber Bragg-gittersensorer (FBG) i sanntidsdeteksjon av batteridata. Til slutt oppsummeres metoder for å redusere sikkerhetsproblemer i litiumbatterier, inkludert bruk av elektrodeoverflatebelegg, elektrolytter, separatorer og undertrykkelse av litiumdendrittvekst. Dette innholdet har en referanseverdi for fremtidig forskning på litiumbatterisikkerhet.
1. Introduksjon
Bruks- og sikkerhetsproblemene til litium-ion-batterier er fremhevet:utvikling av fornybar energi er en trend i tiden, og batterier er allestedsnærværende i dagliglivet. Litiumionbatterier er mye brukt og avgjørende for utviklingen av nye energifelt. Imidlertid har overopphetingsproblemet deres de siste årene påvirket utviklingen av elektriske kjøretøy, og batterisikkerhet har vært bekymringsfullt.
Forskningsretning og formål med artikkelen:Forskere bruker ulike teknologier for å forbedre sikkerheten til litium-ion-batterier. Foreløpig er sikkerhetsovervåkingsforskning på batteritermisk løpsprediksjon og varslingsmetoder en populær retning. Artikkelen tar sikte på å oppsummere relevante avanserte metoder og introdusere den siste forskningsfremgangen.
2. Gjeldende metoder for å forbedre sikkerhetsfaktorer
Årsak til sikkerhetsulykke:Når litiumbatterier brukes feil (som overlading, overoppheting, støt, kortslutning), stiger temperaturen unormalt, noe som forårsaker interne kjemiske reaksjoner og produserer gass og røyk. Sikkerhetsventilen åpnes, og varmen øker temperaturen ytterligere, noe som kan føre til forbrenning eller eksplosjon.
Måter å forbedre sikkerheten på:omfatter hovedsakelig overvåking og unngåelse av sikkerhetsulykker, oppgradering av batteristrukturer eller utskifting av problematiske komponenter.
Spesifikke metoder for å forbedre sikkerheten til litium-ion-batterier
Forhindre termisk løping
Termisk runaway-prinsipp:Den eksoterme reaksjonen av materialer inne i batteriet fører til at batteriet raskt varmes opp og frigjør kjemisk energi. Flere faktorer kan forårsake overoppheting, som strukturell deformasjon, kortslutning, overlading, aldring av komponenter, feil på kjølesystemet osv. Den høye energitettheten til batterier og bruk av brennbare elektrolytter øker risikoen for termisk løping.
Kjølesystem:Forskere har utviklet termiske styringssystemer for batterier (BTMS), inkludert luftkjøling og væskekjølesystemer, men begge har ulemper. Hybridkjølesystemet kombinerer fordelene med begge og kan bedre regulere og håndtere batteriets varmeavledning, og det spesifikke valget bør bestemmes i henhold til situasjonen.
| Kjølesystemer | Fordeler | Ulemper |
|
Luftkjølt BTMS |
Lett i strukturen Lave kostnader i utvikling og vedlikehold. |
1. Lav varmeledningsevne og sårbarhet overfor termisk smelting. 2. Vanskelig å bruke i elektriske kjøretøy. |
|
Væskeavkjølt BTMS |
Høy varmekapasitet og termisk ledningsevner. |
1. Utsatt for væskelekkasje 2. Vanskelig å forbedre systemet på grunn av kompleks struktur |
| Hybrid BTMS | Bedre kjøleeffektivitet | 1. Flere komponenter og kompleksitet |
Fiber Bragg ristsensor (FBG)
Overvåkingsprinsipp:Forhindre sikkerhetsfarer ved å overvåke flere symptomer på batteriet i sanntid. Moderne metoder reflekterer ofte indirekte batteritilstanden ved å overvåke varmestrømmen eller detektere elektrodesprekker, mens FBG-sensorer kan direkte eller indirekte måle temperaturen og belastningsresponsen i og utenfor batteriet, og studere elektrolyttnedbrytning gjennom samspillet mellom lys båret av optiske fibre og det kjemiske miljøet rundt.
Fordeler:FBG-sensorer har egenskapene til minimalt invasiv, anti-elektromagnetisk interferens og isolasjon. De kan fortsatt gi data nøyaktig under høy temperatur og høyt trykk. Når indikatorene når den kritiske verdien, kan batteridriften justeres eller avsluttes i tide, noe som forbedrer sikkerheten ved batteribruk.
|
Temperatur Overvåking |
Ekstern temperaturovervåking: FBG-sensor er direkte festet til overflaten av batteriet (som kan være i form av en mynt eller sylinder) for å oppnå temperaturdeteksjon i sanntid. |
|
Intern temperaturovervåking: er direkte implantert i batteriet for intern temperaturdeteksjon. |
|
| Overvåking av belastning |
Ekstern belastningsovervåking: FBG overvåker den ytre belastningen forårsaket av faktorer som temperaturendringer, mekanisk kompresjon eller støt. |
|
Intern belastningsovervåking: FBG overvåker belastningen inne i batteriet under bruk eller under lading og utlading. |
|
| Samtidig overvåking av temperatur og belastning | |
Forbedre batteriskilleren for å stabilisere batteriet
Rollen og designutfordringene til en separator:En separator er en fysisk barriere i et batteri som forhindrer direkte kontakt mellom de positive og negative elektrodene og rommer elektrolytter for å fremme ionebevegelse. Designet må balansere mekanisk holdbarhet og porøsitet eller transportytelse, noe som gjør det til en utfordring for bruk i storskala batterisystemer.
Forbedringsmetode:Den nåværende forskningen fokuserer hovedsakelig på å forbedre kommersielle polyolefin (PP) membraner, for eksempel belegg eller poding av organiske/uorganiske forbindelser, og behandling av overflaten med varmebestandige forbindelser. Elektrospinningsteknologi kan også brukes til å produsere nanofibermembraner, som kan forbedre termisk stabilitet. Tilsetning av hydrofile materialer kan forbedre ytelsen og hemme litiumdendrittvekst.
Ikke-brennbar polymerelektrolytt
Tradisjonelle elektrolyttproblemer og forbedringsanvisninger:Tradisjonelle elektrolytter kan oppleve termisk løp under ekstreme forhold, noe som kan føre til oksidasjon, blanding av elektrodemateriale og til og med eksplosjon. Forbedring krever omfattende vurdering av de fysiske og kjemiske egenskapene og stabiliteten til elektrolytter og elektroder. Solid polymer electrolytes (SPEs) er den fremtidige trenden, uten lekkasje, høy mekanisk styrke og stabilitet, noe som kan redusere volumendring av elektrodematerialer.
| SPE-typer | Kjennetegn |
| SPE-er av polyetylenoksid |
1. Høyere ledningsevne 2. Justerbar størrelse 3. Lavere kostnad 4. Enestående elektrokjemiske egenskaper |
| Polysiloxane SPE-er |
1. Bedre termisk stabilitet 2. Ikke-brennbarhet 3. Høyere dielektriske konstanter |
Egenskaper og flammehemmere til SPE-er:Ulike SPE-er har forskjellige fordeler, som høy ledningsevne og justerbar størrelse på polyetylenoksid-SPE-er; Polysiloxane SPE-er har god termisk stabilitet og er ikke brennbare. De fleste SPE-er krever tilsetning av flammehemmere, og uorganiske flammehemmere er tryggere og billigere, noe som kan forbedre ytelsen til SPE-er og hemme litiumdendrittvekst. Imidlertid er SPE-forskning relativt ny og deres anvendelser er begrenset, og kommersielle elektrolytter kan ikke erstattes.
| Flammehemmende | Egenskaper |
| Halogen flammehemmende |
1. Ultralett, Ultratynn 2. Vanskelig å tenne 3. Genererte frie radikaler reduserer pyrolyse 4. Produktet fortynner konsentrasjonen av brennbare gasser og oksygen |
| Organofosfor flammehemmere |
1. Bedre brannsikkerhet 2. Syklusstabiliteten til batterier ble forbedret 3. Veksten av litiumdendritter ble hemmet 4. Nedbrytningsprodukter kan kombineres med brennbare frie radikaler |
|
Uorganisk fosforbasert flamme Retardanter |
1. Lav toksisitet 2. Lav pris 3. Kan gjøre ladningen på overflaten av metalllitium ensartet 4. Forhindre litiumdendritter. |
| Uorganisk Nano-Filler Flammehemmende |
1. Forenkle bevegelsen av litiumioner og forbedre ioner ledningsevne. 2. Unngå vekst av litiumdendritter 3. Evne til å hemme termisk forplantning 4. Forbedret termisk stabilitet |
Hemming av litiumdendrittvekst
Dannelse og farer av litiumdendritter:Litiumdendritter er forårsaket av ujevn avsetning av litiumioner under migrering av positive og negative elektroder, noe som kan føre til elektrodeutvidelse, redusert Coulombic effektivitet, redusert batterikapasitet og forringelse av sikkerhetsytelsen, som til slutt resulterer i batterisvikt.
Inhiberingsmetode:Inhiber fra to retninger: elektrolytt og litiummetall negativ elektrode. Tilsetning av tilsetningsstoffer til elektrolytter kan forbedre funksjonaliteten til det faste elektrolyttgrensesnittet (SEI) laget, slik som litiumpolysulfider og litiumnitrat, som effektivt kan hemme dannelsen av litiumdendritter; Fra elektrodeperspektivet kan tredimensjonale negative litiumelektroder redusere volumendringen til negative elektroder, for eksempel grafenkomposittelektroder. Det er også noen nye SEI-lag som effektivt kan hemme litiumdendrittvekst.
Overflatebeleggingselektrodemetode
Rollen og påføringen av overflatebelegg:Overflatebelegg er hovedteknologien for å beskytte katoder og forbedre den termiske stabiliteten til katodematerialer, som kan undertrykke faseovergang og forbedre materialets ledningsevne. Bruken av overflatebeleggingsteknologi i nikkelkobolt-mangan-ternære (NMC) katodematerialer kan forbedre mikrostruktur, elektrokjemisk ytelse, termisk ledningsevne, ionediffusjonskoeffisient og termisk stabilitet, redusere indre strukturelle skader, øke syklusstabiliteten og forhindre metallionutlekking.
Spesifikke metoder og effekter:Hvis den syntetiske metoden "belegg+perfusjon" brukes til å belegge spesifikke materialer ved romtemperatur, eller sol gel-teknologien brukes til å lage et jevnt belegg på katodeoverflaten ved lav temperatur, kan syklusstabiliteten forbedres betydelig.
| Aspekt(er) | Forbedring etter belegg |
| Mikroskopisk morfologi og struktur |
1. En mer kompakt overflatestruktur i positiv elektrode og bestilt gitterstruktur 2. En økt stabilitet. |
| Elektrokjemisk ytelseskarakterisering |
1. Betydelig forbedret syklusstabilitet 2. Materialmultiplikator økt 3. Materialmotstand redusert 4. Elektrontransport ytelse forbedret |
|
Termisk ledningsevne, iondiffusjonskoeffisient og termisk stabilitet |
1. Varmeoverføringsytelsen til rene materialer forbedret 2. Batterikjøling og termisk sikkerhetsytelse forbedret 3. lon diffusjon ytelse forbedret |
3. Sammendrag
Metodeklassifisering:Metoder for å forbedre sikkerheten til litium-ion-batterier kan grovt deles inn i to kategorier: den ene er å overvåke batteriparametere i sanntid som et tidlig varslingssystem for å forhindre sikkerhetsulykker, og den andre er å forbedre de interne materialene eller strukturen til batteriet.
Spesifikke tiltak og effekter
I den første kategorien kan batteritermiske styringssystemer (BTMS) forhindre termisk løping, og hybrid BTMS har den beste kjøleeffekten, men strukturen er kompleks og kostnadene høye. Fiber Bragg Grating (FBG) sensorer kan overvåke batteritemperatur, belastning og trykk i sanntid, og kan raskt identifisere overoppheting eller unormale forhold.
I den andre kategorien har forskere forbedret sikkerheten til litiumionbatterier ved å forbedre separatorer, elektrolytter, hemme litiumdendrittvekst og behandle katodeoverflaten.