1. Meccanismo del processo di fuga termica nelle batterie agli ioni di litio
Le batterie al litio sono formate incorporando ioni di litio nel carbonio (coke di petrolio e grafite) per formare un elettrodo negativo. LixCoO2 è comunemente usato come materiale dell'elettrodo positivo, ma vengono utilizzati anche LixNiO2 e LixMnO4. Come elettrolita viene utilizzato LiPF6+dietilene carbonato (EC)+dimetil carbonato (DMC). I principali fattori scatenanti dell'instabilità termica comprendono danni meccanici, sovraccarico, cortocircuiti interni, ecc. Sotto l'influenza di vari fattori, i materiali attivi all'interno delle batterie agli ioni di litio subiscono violente reazioni esotermiche e la temperatura interna della batteria supera l'intervallo controllabile , portando infine alla fuga termica. Le reazioni chimiche esotermiche che si verificano all'interno della batteria agli ioni di litio includono la decomposizione della maschera facciale SEI dell'interfaccia elettrolitica solida, la reazione tra il materiale attivo negativo e l'elettrolita, la reazione tra il materiale attivo negativo e il legante e la reazione di decomposizione dell'ossidazione dell'elettrolita.
Durante il processo di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio, il carbonato di vinile sull'interfaccia in fase solida del materiale attivo dell'elettrodo reagirà con il litio dell'elettrodo negativo, formando uno strato di pellicola SEI sulla superficie di adesione della grafite. Questa membrana può rallentare direttamente o addirittura impedire la reazione tra l'elettrolita e i materiali attivi su entrambi i lati dell'elettrodo, riducendone significativamente la velocità esotermica e migliorando la stabilità dei materiali degli elettrodi positivi e negativi.
Quando la temperatura sale a 90-120 gradi, la pellicola SEI inizia a decomporsi, seguita da una reazione esotermica tra l'elettrolita e il materiale attivo dell'elettrodo negativo. Prendendo come esempio il carbonato di vinile, il processo di reazione è mostrato nelle equazioni (1) e (2):
Durante la reazione esotermica, la temperatura interna della batteria aumenta gradualmente. In base all'uso di diversi materiali del diaframma, anche i loro punti di fusione variano. Il comune diaframma in polipropilene ha un punto di fusione di 165 gradi e il materiale in polietilene ha un punto di fusione di 135 gradi. Dopo aver raggiunto la temperatura del punto di fusione del materiale separatore, il separatore interno subisce una contrazione locale, provocando un contatto diretto tra i materiali degli elettrodi positivo e negativo all'interno della batteria, provocando un cortocircuito e generando una grande quantità di calore. La grande quantità di calore generata dal cortocircuito provoca una rapida contrazione del diaframma, esacerbando ulteriormente la reazione esotermica.
Allo stesso tempo, nell'intervallo di temperature in cui il film SEI si decompone e subisce reazioni esotermiche, anche i sali di litio subiscono intense reazioni esotermiche con l'elettrolita. I tipi comuni di materiali attivi per le batterie agli ioni di litio includono litio esafluorofosfato (LiPF6), litio tetrafluoroborato (LiBF4), ecc. L'esafluorofosfato di litio si decompone ad alte temperature per produrre PF5, che reagisce ulteriormente con il solvente per assorbire gli atomi di ossigeno della CO si legano e subiscono una violenta reazione esotermica, accelerando ulteriormente la decomposizione dell'elettrolita. Allo stesso tempo, la reazione di ossidoriduzione tra esafluorofosfato di litio e solvente rilascia anche il gas altamente tossico acido fluoridrico (HF). Il processo di reazione specifico è mostrato nelle equazioni da (3) a (5):
Nello stesso intervallo di temperature, l'elettrolita stesso subisce una reazione di decomposizione e rilascia una piccola quantità di gas combustibile. Utilizzando la calorimetria cinetica per analizzare il processo di fuga termica, si è scoperto che i gas prodotti dalla decomposizione dell'elettrolita sono composti principalmente da C2H4, CO e H2. L'elettrolito vaporizza rapidamente e aumenta la pressione interna della batteria. Quando la pressione interna raggiunge il limite della valvola limitatrice di pressione, verrà espulsa una grande quantità di gas combustibile, esacerbando ulteriormente la diffusione della fuga termica. Il calore generato dalla combustione completa dell'elettrolita è molto maggiore del calore rilasciato dalla reazione di decomposizione. Prendendo come esempi il carbonato di etilene (EC) e il carbonato di propilene (PC), i processi di reazione di ossidazione dell'elettrolita (6)~(7) e ossidazione incompleta (8)~(9) sono i seguenti:
Man mano che la temperatura interna della batteria aumenta gradualmente, il materiale attivo dell'elettrodo positivo inizia a decomporsi. In base all'utilizzo dei diversi materiali attivi varia anche la temperatura alla quale avvengono le reazioni esotermiche. La decomposizione del materiale attivo dell'elettrodo positivo produce ossigeno, che poi partecipa alla reazione con il materiale attivo interno, generando una grande quantità di gas all'interno della batteria. Il processo di reazione è il seguente:
Quando la temperatura supera i 136 gradi, il legante polivinilidene fluoruro (PVDF) reagirà con il litio per produrre idrogeno gassoso. Il processo di reazione è il seguente:
Fatta eccezione per la fusione del film SEI e l'assorbimento di calore, le reazioni chimiche di cui sopra sono tutte reazioni esotermiche. Il rilascio di calore derivante dalla decomposizione dell'elettrolita, dal separatore, dal materiale attivo della batteria e dall'adesivo rappresenta rispettivamente il 43,5%, 30,3%, 20,1% e 6,2% del rilascio di calore totale. La reazione tra i materiali attivi positivi e negativi della batteria e l'elettrolita è la principale fonte di calore.
2. Fattori che inducono la fuga termica nelle batterie agli ioni di litio
I fattori scatenanti dell'instabilità termica nelle batterie agli ioni di litio possono essere classificati in tre categorie: abuso meccanico (perforazione dell'ago, deformazione da compressione, collisione esterna), abuso elettrico (sovraccarico e scarica eccessiva, cortocircuito) e abuso termico (sistema di gestione termica fallimento). L'abuso meccanico può facilmente indurre cortocircuiti interni nelle batterie al litio, portando a instabilità termica; Nell'abuso di elettricità, il sovraccarico e lo scaricamento delle batterie possono causare reazioni laterali interne, portando al surriscaldamento locale delle celle della batteria e causando fuga termica; Il cortocircuito esterno è uno stato pericoloso di scarica rapida delle batterie, in cui correnti estremamente elevate causano un rapido riscaldamento e addirittura fondono i terminali della batteria; Nello stato di abuso termico, il guasto del sistema di gestione termica spesso innesca la contrazione e la decomposizione del diaframma interno, portando infine a cortocircuiti interni e instabilità termica.
Inoltre, anche lo stato della batteria è uno dei fattori importanti che causano l'instabilità termica. Con l'aumento dei cicli di carica e scarica della batteria e l'induzione di impurità mescolate durante la produzione di dendriti, si generano reazioni collaterali avverse come dendriti metallici, che possono facilmente perforare il separatore e causare cortocircuiti locali nella batteria.
2.1 Ricerca sull'instabilità termica della batteria causata da abuso termico
Secondo il modello di fuga di calore da sovraccarico elettrochimico dell'accoppiamento termico delle batterie agli ioni di litio stabilito in letteratura, le batterie agli ioni di litio di solito iniziano ad autoriscaldarsi quando la temperatura raggiunge gli 80 gradi. Quando il calore della batteria trabocca e non può essere rilasciato in modo efficace, la gestione termica della batteria porterà ad un aumento incontrollabile della temperatura della batteria, che si diffonderà dalle singole celle locali al pacco batteria di alimentazione, provocando una serie di reazioni collaterali e fuga termica.
L'abuso termico non si verifica spontaneamente all'interno della batteria. Spesso, a causa di un malfunzionamento meccanico o per altri motivi, la temperatura interna della batteria raggiunge una soglia e le aree locali della batteria si surriscaldano, provocando un abuso termico e innescando ulteriormente il controllo della temperatura e l'autoaccensione della batteria.
Allo stesso tempo, la fuga termica è stata utilizzata anche come metodo di ricerca per testare processi sperimentali di fuga termica della batteria e rilevare caratteristiche di sicurezza durante la fuga termica della batteria. Nel 1999, KITOH et al. ha condotto una ricerca sul monitoraggio delle caratteristiche di sicurezza della fuga termica delle batterie ad alta energia specifica basate su metodi di riscaldamento esterno. Da allora, il metodo dell’energia adiabatica è stato ampiamente utilizzato per testare la soglia di temperatura di fuga termica delle batterie agli ioni di litio. L'attuale ricerca sull'abuso termico si basa principalmente sull'accensione delle radiazioni esterne delle batterie. Liu Mengmeng ha stabilito un modello di generazione di calore transitorio multiendogeno e un modello di accoppiamento termico elettrochimico. Sulla base del metodo di riscaldamento per radiazione, sono state studiate le caratteristiche di sicurezza delle batterie dopo l'autoaccensione causata da abuso termico. Si è scoperto che la combustione della batteria può essere suddivisa in tre fasi, ovvero combustione per iniezione, combustione stabile e combustione per iniezione secondaria. LI et al. hanno studiato l'effetto della corrente di scarica sulla temperatura in un contesto di fuga termica causata da un abuso termico. Si è scoperto che quando la corrente di scarica è costante, la perdita di qualità, i parametri caratteristici di sicurezza, la temperatura di inizio dell'instabilità termica e la temperatura di picco durante il processo di instabilità termica dipendono tutti dalla capacità della batteria.
2.2 Ricerca sull'instabilità termica della batteria causata da abuso elettrico
Le cause più comuni dell'instabilità termica della batteria includono il sovraccarico e lo scaricamento, cortocircuiti interni, cortocircuiti esterni, ecc.
(1) Sovraccarico e scarica eccessiva
Durante il completamento di un ciclo di carica e scarica in una batteria agli ioni di litio, il sistema di gestione della batteria BMS normalmente bloccherà la corrente di carica in base allo stato di carica. Quando il sistema BMS si guasta, il sovraccarico della batteria può facilmente causare gravi incidenti di autoaccensione. Dopo aver raggiunto la soglia SOC durante la carica, il litio metallico aderirà alla superficie del materiale attivo dell'elettrodo negativo e il litio attaccato reagirà con l'elettrolita a una certa temperatura, rilasciando una grande quantità di gas ad alta temperatura. Allo stesso tempo, il materiale attivo dell'elettrodo positivo inizia a sciogliersi a causa dell'eccessiva rimozione di litio e di una grande differenza di potenziale con l'elettrodo negativo. Una volta che il potenziale dell'elettrodo positivo supera la tensione sicura dell'elettrolita, anche l'elettrolita subirà una reazione di ossidazione con il materiale attivo dell'elettrodo positivo. Durante il processo di sovraccarico, possono verificarsi una serie di reazioni collaterali come il riscaldamento ohmico e il traboccamento di gas, che esacerbano il verificarsi di fuga termica.
Il gas rilasciato durante la sovraccarica delle batterie agli ioni di litio è composto principalmente da CO2, CO, H2, CH4, C2H6 e C2H4 e il volume del gas e il calore aumentano con l'aumento della corrente di carica. Utilizzando un calorimetro accelerato e un analizzatore del ciclo della batteria per l'analisi congiunta, l'esperimento mostra che il pericolo di sovraccarico basato su corrente costante tensione costante è molto maggiore di quello di sovraccarico diretto con corrente costante. Sulla base delle prestazioni di sovraccarico dell'elettrodo positivo composito e dell'elettrodo negativo di grafite in diversi ambienti sperimentali, Ren et al. considerato in modo esaustivo gli effetti della corrente di carica, del materiale separatore e del sistema di dissipazione del calore. Dallo studio è emerso che la quantità di calore rilasciata durante il sovraccarico delle batterie NCM non è strettamente correlata all’entità della corrente di carica. Il punto di fusione dei diversi materiali separatori e la deformazione e il rigonfiamento della batteria sono i principali fattori che causano l'instabilità termica delle batterie agli ioni di litio. Wang et al. hanno analizzato il percorso di propagazione termica e il percorso di trabocco del gas ad alta temperatura delle batterie al litio sovraccariche e hanno scoperto che il calore generato dalla reazione tra la deposizione del litio e l'elettrolita durante il sovraccarico della batteria rappresentava oltre il 43%. Zhang et al. ha studiato il meccanismo di degrado della capacità del pacco batteria in base alla tensione differenziale di capacità incrementale e ha scoperto che un singolo sovraccarico aveva scarso effetto sulla capacità della batteria, ma dopo il sovraccarico fino alla delitiazione del materiale attivo dell'elettrodo positivo, avrebbe compromesso seriamente la stabilità termica del pacco batteria.
Il danno causato da una scarica eccessiva è molto minore. È difficile che una scarica eccessiva prematura causi un'instabilità termica della batteria, ma può influire sulla capacità della batteria. Zhou Ping et al. ha studiato le caratteristiche di scarica delle batterie al litio ternarie NCM al nichel cobalto manganese dopo una scarica eccessiva. Durante il processo di scarica statica, il grado di cortocircuito all'interno della batteria al litio NCM diminuisce, la resistenza aumenta e la corrente di scarica diminuisce. Gli esperimenti hanno dimostrato che maggiore è la profondità di scarica, maggiore è il grado di attenuazione delle singole celle all'interno della batteria. Ma et al. Nell'esperimento di scarica eccessiva delle batterie al litio si è riscontrato che la scarica eccessiva non modifica la struttura dei materiali attivi della batteria, ma può causare la dissoluzione del collettore di corrente dell'elettrodo negativo, aumentare lo spessore della pellicola SEI e accelerare l'invecchiamento della batteria. Le caratteristiche di comportamento della batteria agli ioni di litio durante il processo di scarica sono mostrate nella figura.
(2) Cortocircuito esterno
Anche i cortocircuiti esterni sono un'importante causa di fuga termica nelle batterie di alimentazione. Chen et al. ha sviluppato un nuovo modello di accoppiamento termico elettrico basato sulla combinazione di modelli di generazione, distribuzione e propagazione del calore. La ricerca ha dimostrato che la temperatura di picco delle batterie agli ioni di litio in condizioni di cortocircuito esterno si trova sul bordo dell'orecchio dell'elettrodo. Ma Taixiao et al. scoperto che nello stato di cortocircuito esterno delle batterie di alimentazione, il calore generato dalle reazioni laterali è molto inferiore al calore generato dall'elettrochimica e il calore generato dall'elettrochimica è correlato positivamente con il SOC iniziale, ma correlato negativamente con il picco di temperatura stress termico.
(3) Cortocircuito interno
Il cortocircuito interno, che si verifica all'interno della batteria ed è difficile da rilevare dal sistema BMS, è la causa principale dell'instabilità termica nelle batterie agli ioni di litio. Quando la batteria è sovraccarica o scarica, i dendriti di litio crescono gradualmente fino a penetrare nella pellicola SEI, causando cortocircuiti interni e portando rapidamente ad un aumento incontrollabile della temperatura e ad una fuga termica. Inoltre, danni al reticolo o sbavature del collettore di corrente causati da processi di produzione approssimativi delle batterie possono causare cortocircuiti interni.
2.3 Ricerca sull'instabilità termica della batteria causata da abuso meccanico
Nell'applicazione delle batterie per autoveicoli, i guasti meccanici sono inevitabilmente causati da incidenti. Se il pacco batteria viene deformato da forze esterne come foratura e compressione, può causare cambiamenti strutturali interni e persino portare a una fuga termica dovuta al contatto diretto tra i poli positivo e negativo sotto stress estremo. Pertanto, è necessario condurre ricerche sull'instabilità termica della batteria causata da un abuso meccanico, tra cui Fan Wenjie e Xu Huiyong hanno condotto ricerche sull'instabilità termica causata da un abuso meccanico basate sulla modellazione degli elementi finiti e sull'analisi del monitoraggio numerico.
Wang et al. ha condotto uno studio sui cambiamenti trasversali del pacco batteria dopo la collisione basato su batterie agli ioni di litio soft pack. L'esperimento di foratura ha rilevato che durante il processo di foratura all'interno del pacco batteria sono comparsi un gran numero di deformazioni locali e strati di frattura da taglio, nonché la lacerazione del collettore di corrente e del materiale attivo dell'elettrodo positivo, nonché la riorganizzazione della struttura interna della batteria pacco, causato dalla foratura del separatore, sono stati i motivi fondamentali dell'instabilità termica del cortocircuito all'interno della batteria. Agnello et al. ha studiato lo stato di deformazione delle batterie cilindriche agli ioni di litio 18650 in condizioni di foratura basate sulla tecnologia della tomografia computerizzata. L'esperimento ha rilevato che il fenomeno dell'infiltrazione tra gli elettrodi positivo e negativo aggrava il verificarsi di cortocircuiti interni. Durante il cortocircuito, il foglio di alluminio attaccato si scioglie, formando un gran numero di perle di metallo nella fessura della foratura. Li et al. ha stabilito modelli di analisi degli elementi finiti per vari stati di abuso meccanico basati su foratura, compressione, ecc. e ha sviluppato un algoritmo di apprendimento per prevedere il processo di instabilità termica delle batterie utilizzando i parametri delle batterie usate. L’impatto dell’abuso meccanico sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio è stato analizzato sulla base di otto tipi di parametri, tra cui forza di impatto, angolo di collisione e intervallo di deformazione, riducendo significativamente la complessità computazionale.
L'abuso meccanico che si verifica nelle applicazioni pratiche è più complesso dei singoli esperimenti come la foratura e la compressione. Affidarsi esclusivamente alla simulazione sperimentale non può studiare a fondo le caratteristiche di sicurezza dell’abuso meccanico della batteria. La soluzione fondamentale è ottimizzare la posizione di installazione della batteria, impostare un sistema BMS affidabile e ottimizzare la progettazione del telaio del veicolo durante la progettazione del pacco batteria, al fine di ridurre al minimo la deformazione e la compressione del pacco batteria in caso di collisione. .
3. Misure e metodi preventivi per l'instabilità termica delle batterie agli ioni di litio
Con l'obiettivo di bloccare, ritardare e prevenire l'instabilità termica delle batterie di alimentazione, molti studiosi hanno condotto ricerche sulla gestione termica del pacco batterie, sulla progettazione della struttura del pacco batteria ad alta resistenza e su altri aspetti.
3.1 Progettazione della sicurezza delle singole batterie
(1) Ricerca sulla sicurezza della progettazione del diaframma
L'obiettivo principale del miglioramento della sicurezza del diaframma risiede nell'aumento della temperatura alla quale il diaframma si contrae e si scioglie, migliorando la sua capacità di isolamento alle alte temperature. La capacità di isolamento alle alte temperature del diaframma garantisce che i suoi micropori siano sigillati in un ambiente ad alta temperatura, bloccando il flusso degli ioni di litio. I materiali per diaframmi ampiamente utilizzati sono generalmente ricoperti con rivestimenti ceramici o altri materiali con effetti a cellule chiuse.
(2) Ricerca sulla sicurezza dei materiali degli elettrodi positivi
I materiali attivi per elettrodi positivi agli ioni di litio più comuni utilizzati nel mercato delle batterie di potenza sono generalmente LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM), ecc. Utilizzo di materiali per coprire l'elettrodo positivo per bloccare e alleviare le reazioni laterali di fuga termica, migliorare il ciclo della batteria e stabilità termica, come ZrO2 e AlF3. Zhang et al. ha sviluppato un materiale NCM ternario stratificato basato sulla distribuzione gradiente della concentrazione atomica, con Ni come nucleo e Mn che copre lo strato esterno delle particelle attaccate. I test hanno dimostrato che può mantenere un buon ciclo e stabilità termica anche in molteplici condizioni di temperatura elevata e sovraccarico.
(3) Ricerca sulla sicurezza dei materiali degli elettrodi negativi
Il miglioramento della sicurezza dell'elettrodo negativo si ottiene principalmente attraverso il rivestimento del materiale o l'aggiunta di additivi all'elettrolita per migliorare la stabilità termica del film SEI. Xu et al. aggiunto lega liquida GaSnIn all'elettrolita per migliorare la stabilità termica della batteria. L'esperimento mostra che lo strato SEI gradiente preparato riduce notevolmente la polarizzazione della tensione e migliora l'efficienza di Coulomb al 99,06%. Zheng et al. hanno preparato una membrana ultrasottile di nanofibra aramidica (ANF) per sopprimere la crescita dei dendriti di litio. Nel test sperimentale, in un ambiente ad alta densità di corrente di 50 mA/cm2, la capacità dell'ANF-Li|La batteria piena LiFePO4 è scesa all'80,2% dopo 1200 cicli. E per la prima volta, la sua ricerca ha scoperto la deposizione fibrosa di litio e la membrana ANF preparata con pori su scala nanometrica ha promosso la diffusione dell’elettrolita, accelerato l’efficienza del trasporto del litio ed eliminato gli inconvenienti dei dendriti di litio di dimensioni micrometriche che penetrano nella membrana.
(4) Ricerca sulla sicurezza degli elettroliti
La maggior parte degli incidenti dovuti a fuga termica coinvolgono l'elettrolita e il miglioramento della sicurezza dell'elettrolita per prevenire la fuga termica è fondamentale. Ritardanti di fiamma, sostanze polimeriche solide o liquidi ionici vengono spesso aggiunti all'elettrolita come additivi anti-sovraccarico. Il carbonato di etilene fluorurato (FEC) è l'additivo elettrolitico più comune, che ha il vantaggio di migliorare l'efficienza coulombiana della rimozione reversibile del litio nell'elettrodo negativo modificando la composizione del film SEI. Li et al. ha progettato un film SEI interfase di elettrolita solido cristallino e polimerico a doppio strato utilizzando difluoroborato di litio (LiDFOB) come sale principale in un elettrolita di fosfato misto. L'esperimento sul ritardante di fiamma ha dimostrato che il tempo di autoestinzione dell'elettrolita ritardante di fiamma era di 6,1 secondi e l'efficienza reversibile del litio era del 98,2%. Dopo 150 cicli di carica/scarica, ha mantenuto ancora l'89,7% della capacità della batteria.
3.2 Protezione della sicurezza e progettazione di ottimizzazione del sistema di batterie di alimentazione
(1) Progettazione di ottimizzazione della struttura del pacco batteria
La progettazione della struttura del pacco batteria e l'ottimizzazione della posizione di installazione del veicolo sono fondamentali per migliorare la sicurezza. Chen et al. ha condotto un esperimento di classificazione sull'impatto dell'autonomia termica basata sul layout della batteria 18650. L'esperimento mostra che il tempo di accensione è più breve e la velocità di diffusione e la portata sono maggiori nelle aree con aree di riscaldamento più grandi. Ma il suo esperimento ha considerato solo il riscaldamento complessivo del modulo della batteria di potenza e non ha tenuto conto del surriscaldamento locale causato da cortocircuiti interni. Liu Zhenjun et al. ottimizzato il design del pacco batteria sulla base di un modello tridimensionale di dissipazione del calore del pacco batteria di potenza e simulazione condotta della dissipazione del calore. L'esperimento ha dimostrato che la temperatura di picco della batteria ottimizzata agli ioni di litio è diminuita da 46 gradi a 34 gradi e la differenza di temperatura tra le singole celle è stata controllata entro 5 gradi.
(2) Progettazione del sistema di gestione termica della batteria
Le batterie agli ioni di litio hanno una forte sensibilità termica e il miglioramento dell'efficienza di scarica a bassa temperatura e della sicurezza ad alta temperatura è il fulcro dei sistemi di gestione termica della batteria. I metodi di raffreddamento per i pacchi batteria includono il raffreddamento a liquido e il raffreddamento ad aria. I veicoli elettrici di Tesla utilizzano tutti la tecnologia di raffreddamento a liquido, mentre gli autobus elettrici utilizzano generalmente il raffreddamento ad aria. Negli ultimi anni, come gli aerogel, i materiali a cambiamento di fase e i materiali ibridi sono stati utilizzati nei sistemi di gestione termica delle batterie grazie alla loro eccellente efficienza di assorbimento del calore. Wu et al. hanno sviluppato un materiale flessibile per il sistema di gestione termica della batteria basato sull'idrogel. Viene utilizzato materiale in poliacrilato di sodio a basso costo. La sua plasticità estremamente forte può essere trasformata in una varietà di forme e impilata nel pacco batteria, che può realizzare economicamente l'effetto di dissipazione del calore del tradizionale raffreddamento ad aria e del raffreddamento a liquido.
(3) Progettazione del raffreddamento, dell'estinzione, del blocco e della guida del gas per l'instabilità termica della batteria
Quando la fuga termica della batteria è inevitabile, è particolarmente importante bloccare e raffreddare tempestivamente la diffusione del calore e guidare i gas ad alta temperatura per evitare di influenzare le batterie installate nelle immediate vicinanze.
I modi principali per bloccare la diffusione dell'instabilità termica includono: il riempimento con materiali ritardanti di fiamma, l'utilizzo di materiali isolanti per isolare le batterie instabilità termica o la guida delle fiamme e dei gas ad alta temperatura fuori dal pacco batteria attraverso percorsi. Xu et al. ha sviluppato un tubo di dissipazione del calore del gas ad alta temperatura con una forma a sezione trasversale rettangolare disposto lungo la batteria, come mostrato nella Figura 5. Sebbene non possa impedire il verificarsi di instabilità termica nelle singole batterie, può prevenire efficacemente la diffusione dell'instabilità termica locale in pacchi batteria. Li Haoliang et al. ha progettato un sistema di blocco della diffusione termica e un sistema di controllo integrato basato su gas inerti e refrigeranti misti. In base al diagramma di dispersione del calore e all'accelerazione del riscaldamento viene fissata una soglia per il sistema di blocco. L'esperimento dimostra che può bloccare efficacemente la propagazione del calore quando la batteria è surriscaldata localmente.
4. Conclusione
L'articolo riassume la letteratura sul meccanismo di attivazione, sulle cause e sulla gestione del monitoraggio di sicurezza dell'instabilità termica nelle batterie di alimentazione agli ioni di litio.
(1) Nella ricerca sul meccanismo di fuga termica, sono state analizzate la stabilità termica e la legge di rilascio del calore dei componenti principali delle batterie agli ioni di litio e i principi dei processi di reazione di rilascio del calore come la decomposizione dell'elettrolita, il separatore, i materiali attivi della batteria e sono stati spiegati principalmente gli adesivi.
(2) Nella ricerca sui fattori scatenanti dell'instabilità termica, sono state classificate e riassunte le caratteristiche e le ragioni delle diverse condizioni di attivazione, vale a dire l'abuso meccanico, l'abuso elettrico e l'instabilità termica della batteria causata dall'abuso termico.
(3) In termini di prevenzione e monitoraggio dell'instabilità termica, questo articolo approfondisce la ricerca per migliorare la sicurezza dell'instabilità termica delle batterie agli ioni di litio sotto tre aspetti: progettazione di ottimizzazione delle celle delle batterie agli ioni di litio, ottimizzazione dei sistemi di batterie di alimentazione e gestione termica della batteria e sistemi di allarme di monitoraggio.
Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nello studio della fuga termica nelle batterie agli ioni di litio, esistono ancora lacune in alcune aree di ricerca. La ricerca sull’impatto dell’invecchiamento sulla sicurezza causato dalla sovrapposizione dei tempi di ciclo sulle batterie agli ioni di litio è iniziata solo negli ultimi anni, in particolare lo studio sperimentale del percorso di invecchiamento e del meccanismo sulla stabilità termica è ancora relativamente scarso. Allo stesso tempo, ci sono solo pochi studi sperimentali sulla previsione e la modellazione della propagazione della fiamma dopo che si è verificata una fuga termica, e mancano ancora analisi di simulazione numerica della propagazione della fiamma. Si può notare che la gestione della sicurezza della fuga termica nelle batterie agli ioni di litio è ancora in fase di sviluppo, soprattutto nella direzione dell’avviso e del blocco, che richiede ulteriori ricerche.