Problemi di applicazione e sicurezza delle batterie agli ioni di litio:Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate grazie alla loro elevata densità di energia, elevata potenza di uscita e alta tensione di uscita media. Tuttavia, ogni anno si verificano incidenti causati da guasti alle batterie e poche persone comprendono attivamente i rischi per la sicurezza. Pertanto, identificare e mitigare i rischi per la sicurezza delle batterie al litio è fondamentale.
Il contenuto principale dell'articolo:Innanzitutto viene analizzato il fenomeno della fuga termica e vengono discussi i vari sistemi di monitoraggio. Successivamente, viene sottolineata l'applicazione dei sensori in fibra a reticolo di Bragg (FBG) nel rilevamento in tempo reale dei dati della batteria. Infine, vengono riepilogati i metodi per ridurre i problemi di sicurezza nelle batterie al litio, compreso l'uso di rivestimenti superficiali degli elettrodi, elettroliti, separatori e la soppressione della crescita dei dendriti di litio. Questi contenuti hanno valore di riferimento per la ricerca futura sulla sicurezza delle batterie al litio.
1. Introduzione
Vengono evidenziati i problemi di applicazione e sicurezza delle batterie agli ioni di litio:lo sviluppo delle energie rinnovabili è una tendenza dei tempi e le batterie sono onnipresenti nella vita quotidiana. Le batterie agli ioni di litio sono ampiamente utilizzate e cruciali per lo sviluppo di nuovi campi energetici. Tuttavia, negli ultimi anni, il problema del surriscaldamento ha influenzato lo sviluppo dei veicoli elettrici e la sicurezza delle batterie è stata motivo di preoccupazione.
Direzione della ricerca e scopo dell'articolo:Gli scienziati utilizzano varie tecnologie per migliorare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Attualmente, la ricerca sul monitoraggio della sicurezza sulla previsione dell’instabilità termica delle batterie e sui metodi di allarme è una direzione popolare. L'articolo si propone di riassumere i metodi avanzati rilevanti e di presentare gli ultimi progressi della ricerca.
2. Metodi attuali per migliorare i fattori di sicurezza
Causa dell'incidente di sicurezza:Quando le batterie al litio vengono utilizzate in modo improprio (come sovraccarico, surriscaldamento, impatto, cortocircuito), la temperatura aumenta in modo anomalo, causando reazioni chimiche interne e producendo gas e fumo. La valvola di sicurezza si apre e il calore aumenta ulteriormente la temperatura, il che potrebbe provocare combustione o esplosione.
Le modalità per migliorare la sicurezza:includono principalmente il monitoraggio e la prevenzione di incidenti legati alla sicurezza, l'aggiornamento delle strutture delle batterie o la sostituzione di componenti problematici.
Metodi specifici per migliorare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio
Prevenire la fuga termica
Principio della fuga termica:La reazione esotermica dei materiali all'interno della batteria fa sì che la batteria si surriscaldi rapidamente e rilasci energia chimica. Diversi fattori possono causare il surriscaldamento, come deformazione strutturale, cortocircuito, sovraccarico, invecchiamento dei componenti, guasto del sistema di raffreddamento, ecc. L'elevata densità energetica delle batterie e l'uso di elettroliti infiammabili aumentano il rischio di fuga termica.
Sistema di raffreddamento:Gli scienziati hanno sviluppato sistemi di gestione termica delle batterie (BTMS), compresi sistemi di raffreddamento ad aria e a liquido, ma entrambi presentano degli inconvenienti. Il sistema di raffreddamento ibrido combina i vantaggi di entrambi e può regolare e gestire meglio la dissipazione del calore della batteria, e la scelta specifica dovrebbe essere determinata in base alla situazione.
| Sistemi di raffreddamento | Vantaggi | Svantaggi |
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Raffreddato ad aria BTMS |
Leggero nella struttura Basso costo di sviluppo e manutenzione. |
1. Bassa conduttività termica e vulnerabilità a fusione termica. 2. Difficile da usare nei veicoli elettrici. |
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Raffreddato a liquido BTMS |
Elevate capacità termiche e termiche conduttività. |
1. Possibilità di perdite di liquidi 2. Difficile migliorare il sistema a causa della struttura complessa |
| BTMS ibrido | Migliore efficacia di raffreddamento | 1. Più componenti e complessità |
Sensore a reticolo di Bragg in fibra (FBG)
Principio di monitoraggio:Previeni i rischi per la sicurezza monitorando più sintomi della batteria in tempo reale. I metodi moderni spesso riflettono indirettamente lo stato della batteria monitorando il flusso di calore o rilevando la rottura degli elettrodi, mentre i sensori FBG possono misurare direttamente o indirettamente la temperatura e la risposta alla deformazione all'interno e all'esterno della batteria e studiare la degradazione dell'elettrolita attraverso l'interazione tra la luce trasportata dalle fibre ottiche e l’ambiente chimico circostante.
Vantaggi:I sensori FBG hanno le caratteristiche di minima invasività, anti interferenze elettromagnetiche e isolamento. Possono comunque fornire dati con precisione ad alta temperatura e alta pressione. Quando gli indicatori raggiungono il valore critico, il funzionamento della batteria può essere regolato o interrotto in modo tempestivo, migliorando la sicurezza d'uso della batteria.
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Temperatura Monitoraggio |
Monitoraggio della temperatura esterna: Il sensore FBG è direttamente collegato alla superficie della batteria (che può avere la forma di una moneta o di un cilindro) per ottenere il rilevamento della temperatura in tempo reale. |
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Monitoraggio della temperatura interna: è impiantato direttamente nella batteria per il rilevamento della temperatura interna. |
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| Monitoraggio della deformazione |
Monitoraggio della deformazione esterna: FBG monitora la deformazione esterna causata da fattori quali cambiamenti di temperatura, compressione meccanica o impatti. |
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Monitoraggio della deformazione interna: FBG monitora lo sforzo all'interno della batteria durante l'uso o durante la carica e la scarica. |
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| Monitoraggio simultaneo di temperatura e deformazione | |
Migliora il separatore della batteria per stabilizzare la batteria
Il ruolo e le sfide progettuali di un separatore:Un separatore è una barriera fisica in una batteria che impedisce il contatto diretto tra gli elettrodi positivo e negativo e accoglie gli elettroliti per favorire il movimento degli ioni. Il design deve bilanciare la durata meccanica e la porosità o le prestazioni di trasporto, rendendolo una sfida per l’uso in sistemi di batterie su larga scala.
Metodo di miglioramento:La ricerca attuale si concentra principalmente sul miglioramento delle membrane commerciali in poliolefina (PP), come il rivestimento o l'innesto di composti organici/inorganici e il trattamento della superficie con composti resistenti al calore. La tecnologia dell’elettrofilatura può essere utilizzata anche per produrre membrane in nanofibra, che possono migliorare la stabilità termica. L'aggiunta di materiali idrofili può migliorare le prestazioni e inibire la crescita dei dendriti di litio.
Elettrolita polimerico non combustibile
Problemi elettrolitici tradizionali e indicazioni di miglioramento:Gli elettroliti tradizionali possono subire instabilità termica in condizioni estreme, con conseguente ossidazione, miscelazione dei materiali degli elettrodi e persino esplosione. Il miglioramento richiede una considerazione completa delle proprietà fisiche e chimiche e della stabilità degli elettroliti e degli elettrodi. Gli elettroliti polimerici solidi (SPE) rappresentano la tendenza futura, senza perdite, elevata resistenza meccanica e stabilità, che possono ridurre la variazione di volume dei materiali degli elettrodi.
| Tipi di SPE | Caratteristiche |
| SPE di ossido di polietilene |
1. Maggiore conduttività 2. Misura regolabile 3. Costi inferiori 4. Proprietà elettrochimiche eccezionali |
| SPE di polisilossano |
1. Migliore stabilità termica 2. Ininfiammabilità 3. Costanti dielettriche più elevate |
Caratteristiche e ritardanti di fiamma degli SPE:SPE diversi presentano vantaggi diversi, come elevata conduttività e dimensione regolabile degli SPE di ossido di polietilene; Gli SPE di polisilossano hanno una buona stabilità termica e non sono infiammabili. La maggior parte degli SPE richiedono l'aggiunta di ritardanti di fiamma e i ritardanti di fiamma inorganici sono più sicuri ed economici, il che può migliorare le prestazioni degli SPE e inibire la crescita del dendrite di litio. Tuttavia, la ricerca sugli SPE è relativamente nuova e le loro applicazioni sono limitate e gli elettroliti commerciali non possono essere sostituiti.
| Ritardante di fiamma | Proprietà |
| Ritardante di fiamma alogeno |
1. Ultraleggero, ultrasottile 2. Difficile da accendere 3. I radicali liberi generati mitigano la pirolisi 4. Il prodotto diluisce la concentrazione di gas combustibili e ossigeno |
| Ritardanti di fiamma organofosforici |
1. Migliore sicurezza antincendio 2. La stabilità del ciclo delle batterie è stata migliorata 3. La crescita dei dendriti di litio è stata inibita 4. I prodotti della decomposizione possono combinarsi con radicali liberi combustibili |
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Fiamma a base di fosforo inorganico Ritardanti |
1. Bassa tossicità 2. Prezzo basso 3. Può rendere uniforme la carica sulla superficie del litio metallico 4. Prevenire i dendriti di litio. |
| Ritardante di fiamma con nanoriempitivo inorganico |
1. Facilitare il movimento degli ioni di litio e migliorare gli ioni conduttività. 2. Evitare la crescita dei dendriti di litio 3. Capacità di inibire la propagazione termica 4. Migliore stabilità termica |
Inibizione della crescita dei dendriti di litio
Formazione e pericoli dei dendriti di litio:I dendriti di litio sono causati dalla deposizione irregolare di ioni di litio durante la migrazione degli elettrodi positivi e negativi, che può portare all'espansione degli elettrodi, alla ridotta efficienza Coulombiana, alla diminuzione della capacità della batteria e al deterioramento delle prestazioni di sicurezza, con conseguente guasto della batteria.
Metodo di inibizione:Inibizione da due direzioni: elettrolita ed elettrodo negativo al litio metallico. L'aggiunta di additivi agli elettroliti può migliorare la funzionalità dello strato di interfaccia elettrolitica solida (SEI), come polisolfuri di litio e nitrato di litio, che possono inibire efficacemente la formazione di dendriti di litio; Dal punto di vista degli elettrodi, gli elettrodi negativi al litio tridimensionali possono ridurre la variazione di volume degli elettrodi negativi, come gli elettrodi compositi al grafene. Ci sono anche alcuni nuovi strati SEI che possono inibire efficacemente la crescita dei dendriti di litio.
Metodo dell'elettrodo di rivestimento superficiale
Il ruolo e l'applicazione del rivestimento superficiale:Il rivestimento superficiale è la tecnologia principale per proteggere i catodi e migliorare la stabilità termica dei materiali catodici, che può sopprimere la transizione di fase e migliorare la conduttività del materiale. L'uso della tecnologia di rivestimento superficiale nei materiali catodici ternari di nichel cobalto manganese (NMC) può migliorare la microstruttura, le prestazioni elettrochimiche, la conduttività termica, il coefficiente di diffusione degli ioni e la stabilità termica, ridurre i danni strutturali interni, aumentare la stabilità del ciclo e prevenire la lisciviazione di ioni metallici.
Metodi ed effetti specifici:Se si utilizza il metodo sintetico "rivestimento+perfusione" per rivestire materiali specifici a temperatura ambiente, o si utilizza la tecnologia sol-gel per creare un rivestimento uniforme sulla superficie del catodo a bassa temperatura, la stabilità del ciclo può essere notevolmente migliorata.
| Aspetto(i) | Miglioramento dopo il rivestimento |
| Morfologia e struttura microscopica |
1. Una struttura superficiale più compatta nell'elettrodo positivo e struttura reticolare ordinata 2. Una maggiore stabilità. |
| Caratterizzazione delle prestazioni elettrochimiche |
1. Stabilità del ciclo notevolmente migliorata 2. Moltiplicatore materiale aumentato 3. Resistenza del materiale ridotta 4. Miglioramento delle prestazioni di trasporto degli elettroni |
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Conducibilità termica, coefficiente di diffusione ionica e stabilità termica |
1. Miglioramento delle prestazioni di trasferimento del calore dei materiali puri 2. Raffreddamento della batteria e prestazioni di sicurezza termica migliorate 3. Miglioramento delle prestazioni di diffusione lon |
3. Riepilogo
Classificazione del metodo:I metodi per migliorare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio possono essere suddivisi grosso modo in due categorie: la prima consiste nel monitorare i parametri della batteria in tempo reale come sistema di allarme rapido per prevenire incidenti legati alla sicurezza, mentre la seconda consiste nel migliorare i materiali interni o la struttura delle batterie. la batteria.
Misure ed effetti specifici
Nella prima categoria, i sistemi di gestione termica della batteria (BTMS) possono prevenire l’instabilità termica e il BTMS ibrido ha il miglior effetto di raffreddamento, ma la struttura è complessa e il costo è elevato. I sensori a reticolo in fibra di Bragg (FBG) possono monitorare la temperatura, lo sforzo e la pressione della batteria in tempo reale e possono identificare rapidamente il surriscaldamento o condizioni anomale.
Nella seconda categoria, i ricercatori hanno migliorato la sicurezza delle batterie agli ioni di litio migliorando i separatori, gli elettroliti, inibendo la crescita dei dendriti del litio e trattando la superficie del catodo.