Питања примене и безбедности литијум-јонских батерија:Литијум-јонске батерије се широко користе због своје велике густине енергије, велике излазне снаге и високог просечног излазног напона. Међутим, несреће узроковане кваровима батерије дешавају се сваке године и мало људи активно разуме безбедносне ризике. Стога је идентификација и ублажавање опасности по безбедност литијумских батерија од кључног значаја.
Главни садржај чланка:Најпре се анализира феномен топлотног бекства и разматрају различити системи за праћење. Затим је наглашена примена фибер Брагг решеткастих сензора (ФБГ) у детекцији података о батерији у реалном времену. Коначно, резимиране су методе за смањење безбедносних проблема у литијум батеријама, укључујући употребу површинских премаза електрода, електролита, сепаратора и сузбијање раста литијум дендрита. Ови садржаји имају референтну вредност за будућа истраживања безбедности литијумских батерија.
1. Увод
Примена и безбедносна питања литијум-јонских батерија су истакнути:развој обновљиве енергије је тренд времена, а батерије су свеприсутне у свакодневном животу. Литијум-јонске батерије се широко користе и кључне су за развој нових енергетских поља. Међутим, последњих година њихов проблем прегревања утицао је на развој електричних возила, а безбедност батерија је била забрињавајућа.
Правац истраживања и сврха чланка:Научници користе различите технологије за побољшање безбедности литијум-јонских батерија. Тренутно је популаран правац, истраживање надзора безбедности о методама предвиђања топлотног бекства батерије и метода упозорења. Чланак има за циљ да сумира релевантне напредне методе и представи најновији напредак истраживања.
2. Актуелне методе за побољшање фактора сигурности
Узрок безбедносне незгоде:Када се литијумске батерије неправилно користе (као што су прекомерно пуњење, прегревање, удар, кратки спој), температура расте ненормално, изазивајући унутрашње хемијске реакције и производњу гаса и дима. Сигурносни вентил се отвара, а топлота додатно повећава температуру, што може довести до сагоревања или експлозије.
Начини за побољшање безбедности:углавном укључују праћење и избегавање безбедносних незгода, надоградњу структуре батерија или замену проблематичних компоненти.
Специфичне методе за побољшање безбедности литијум-јонских батерија
Спречите топлотни бег
Принцип топлотног бекства:Егзотермна реакција материјала унутар батерије доводи до брзог загревања батерије и ослобађања хемијске енергије. Више фактора може изазвати прегревање, као што су деформација структуре, кратки спој, прекомерно пуњење, старење компоненти, квар система за хлађење, итд. Велика густина енергије батерија и употреба запаљивих електролита повећавају ризик од топлотног бекства.
Систем за хлађење:Научници су развили системе за термичко управљање батеријама (БТМС), укључујући ваздушно и течно хлађење, али оба имају недостатке. Хибридни систем хлађења комбинује предности оба и може боље да регулише и управља расипањем топлоте батерије, а конкретан избор треба одредити у складу са ситуацијом.
| Системи за хлађење | Предности | Недостаци |
|
Ваздушно хлађен БТМС |
Лагана у структури Ниска цена у развоју и одржавање. |
1. Ниска топлотна проводљивост и рањивост на термичко топљење. 2. Тешко се користи у електричним возилима. |
|
Хлађен течношћу БТМС |
Високи топлотни капацитети и топлотни проводљивости. |
1. Склон цурењу течности 2. Тешко је побољшати систем због сложене структуре |
| Хибридни БТМС | Боља ефикасност хлађења | 1. Више компоненти и сложености |
Фибер Брагг решеткасти сензор (ФБГ)
Принцип надгледања:Спречите безбедносне опасности праћењем више симптома батерије у реалном времену. Савремене методе често индиректно одражавају стање батерије праћењем топлотног тока или откривањем пуцања електроде, док ФБГ сензори могу директно или индиректно да мере температуру и одговор на напрезање унутар и изван батерије, и проучавају деградацију електролита кроз интеракцију између светлости коју преносе оптичка влакна и околно хемијско окружење.
Предности:ФБГ сензори имају карактеристике минимално инвазивних, анти-електромагнетних сметњи и изолације. Они и даље могу прецизно да дају податке под високом температуром и високим притиском. Када индикатори достигну критичну вредност, рад батерије се може подесити или прекинути на време, побољшавајући безбедност употребе батерије.
|
Температура Мониторинг |
Екстерно праћење температуре: ФБГ сензор је директно причвршћен на површину батерије (која може бити у облику новчића или цилиндра) за постизање детекције температуре у реалном времену. |
|
Праћење унутрашње температуре: се директно имплантира у батерију ради детекције унутрашње температуре. |
|
| Страин Мониторинг |
Екстерно праћење напрезања: ФБГ прати спољно оптерећење изазвано факторима као што су промене температуре, механичка компресија или удари. |
|
Мониторинг унутрашњег напрезања: ФБГ прати оптерећење унутар батерије током употребе или током пуњења и пражњења. |
|
| Истовремено праћење температуре и деформације | |
Побољшајте сепаратор батерије да бисте стабилизовали батерију
Улога и изазови дизајна сепаратора:Сепаратор је физичка баријера у батерији која спречава директан контакт између позитивне и негативне електроде и прихвата електролите како би се подстакло кретање јона. Дизајн треба да уравнотежи механичку издржљивост и порозност или транспортне перформансе, што га чини изазовом за употребу у системима батерија великих размера.
Метод побољшања:Садашње истраживање се углавном фокусира на побољшање комерцијалних полиолефинских (ПП) мембрана, као што су премазивање или калемљење органских/неорганских једињења, и третирање површине једињењима отпорним на топлоту. Технологија електропредења се такође може користити за производњу мембрана од нановлакна, које могу побољшати термичку стабилност. Додавање хидрофилних материјала може побољшати перформансе и инхибирати раст литијум дендрита.
Негориви полимерни електролит
Традиционални проблеми са електролитом и правци побољшања:Традиционални електролити могу доживети термички бег у екстремним условима, што доводи до оксидације, мешања материјала електроде, па чак и експлозије. Побољшање захтева свеобухватно разматрање физичких и хемијских својстава и стабилности електролита и електрода. Чврсти полимерни електролити (СПЕ) су будући тренд, без цурења, високе механичке чврстоће и стабилности, што може смањити промену запремине материјала електрода.
| СПЕ врсте | Карактеристике |
| СПЕ полиетилен оксида |
1. Већа проводљивост 2. Подесива величина 3. Нижа цена 4. Изузетна електрохемијска својства |
| Полисилоксан СПЕс |
1. Боља термичка стабилност 2. Незапаљивост 3. Веће диелектричне константе |
Карактеристике и успоривачи пламена СПЕ:Различити СПЕ имају различите предности, као што су висока проводљивост и подесива величина СПЕ од полиетилен оксида; Полисилоксан СПЕ имају добру термичку стабилност и нису запаљиви. Већина СПЕ захтева додавање успоривача пламена, а неоргански успоривачи пламена су сигурнији и јефтинији, што може побољшати перформансе СПЕ и инхибирати раст литијум дендрита. Међутим, истраживања СПЕ су релативно нова и њихова примена је ограничена, а комерцијални електролити се не могу заменити.
| Отпорно на пламен | Својства |
| Халогени отпорни на пламен |
1. Ултра-лагани, ултра-танки 2. Тешко се запалити 3. Генерисани слободни радикали ублажавају пиролизу 4. Производ разређује концентрацију запаљивих гасова и кисеоника |
| Органофосфорни успоривачи пламена |
1. Боља сигурност од пожара 2. Побољшана је стабилност циклуса батерија 3. Раст литијум дендрита је инхибиран 4. Производи распадања могу се комбиновати са запаљивим слободним радикалима |
|
Пламен на бази неорганског фосфора Ретарданти |
1. Ниска токсичност 2. Ниска цена 3. Може учинити пуњење на површини металног литијума униформним 4. Спречите литијум дендрите. |
| Неоргански нано-филер отпоран на пламен |
1. Олакшати кретање литијум јона и побољшати јоне проводљивост. 2. Избегавајте раст литијум дендрита 3. Способност инхибирања топлотног ширења 4. Побољшана термичка стабилност |
Инхибиција раста литијум дендрита
Формирање и опасности од литијум дендрита:Литијум дендрити су узроковани неуједначеним таложењем литијум јона током миграције позитивних и негативних електрода, што може довести до експанзије електроде, смањене куломбичке ефикасности, смањеног капацитета батерије и погоршања безбедносних перформанси, што на крају доводи до квара батерије.
Метода инхибиције:Инхибирајте из два правца: електролит и литијум метална негативна електрода. Додавање адитива електролитима може побољшати функционалност слоја интерфејса чврстог електролита (СЕИ), као што су литијум полисулфиди и литијум нитрат, који могу ефикасно инхибирати формирање литијум дендрита; Из перспективе електрода, тродимензионалне литијумске негативне електроде могу смањити промену запремине негативних електрода, као што су композитне електроде графена. Постоје и неки нови СЕИ слојеви који могу ефикасно инхибирати раст литијум дендрита.
Метода електроде за облагање површине
Улога и примена површинског премаза:Површински премаз је главна технологија за заштиту катода и побољшање термичке стабилности катодних материјала, што може потиснути фазни прелаз и побољшати проводљивост материјала. Употреба технологије површинског премаза у никл кобалт манган тернарним (НМЦ) катодним материјалима може побољшати микроструктуру, електрохемијске перформансе, топлотну проводљивост, коефицијент дифузије јона и термичку стабилност, смањити унутрашња оштећења структуре, повећати стабилност циклуса и спречити испирање металних јона.
Специфичне методе и ефекти:Ако се синтетички метод „премаз+перфузија“ користи за облагање специфичних материјала на собној температури, или се користи технологија сол гела за стварање једноликог премаза на површини катоде на ниској температури, стабилност циклуса се може значајно побољшати.
| аспект(и) | Побољшање након премаза |
| Микроскопска морфологија и структура |
1. Компактнија површинска структура у позитивној електроди и уређена решеткаста структура 2. Повећана стабилност. |
| Карактеризација електрохемијских перформанси |
1. Значајно побољшана стабилност циклуса 2. Повећан множилац материјала 3. Смањен отпор материјала 4. Побољшане перформансе транспорта електрона |
|
Топлотна проводљивост, коефицијент јонске дифузије и термичка стабилност |
1. Побољшане перформансе преноса топлоте чистих материјала 2. Побољшане перформансе хлађења батерије и топлотне безбедности 3. побољшане перформансе лон дифузије |
3. Резиме
Класификација метода:Методе за побољшање безбедности литијум-јонских батерија могу се грубо поделити у две категорије: једна је праћење параметара батерије у реалном времену као систем раног упозорења да би се спречиле безбедносне незгоде, а друга је побољшање унутрашњих материјала или структуре батерија.
Специфичне мере и ефекти
У првој категорији, системи за термичко управљање батеријама (БТМС) могу да спрече топлотни бег, а хибридни БТМС има најбољи ефекат хлађења, али је структура сложена и цена је висока. Сензори Фибер Брагг Гратинг (ФБГ) могу да прате температуру батерије, напрезање и притисак у реалном времену и могу брзо да идентификују прегревање или абнормалне услове.
У другој категорији, истраживачи су побољшали безбедност литијум-јонских батерија побољшањем сепаратора, електролита, инхибицијом раста литијум дендрита и третирањем површине катоде.