Förstå litiumbatterisäkerhetsteknik från tre aspekter: material, design och process
Faror med litiumjonbatterier
Litiumjonbatterier är en potentiellt farlig kemisk kraftkälla på grund av deras kemiska egenskaper och systemsammansättning.
(1). Hög kemisk aktivitet
Litium är ett grundämne i huvudgrupp I i den andra perioden av det periodiska systemet och har extremt aktiva kemiska egenskaper.
(2). Hög energitäthet
Litiumjonbatterier har extremt hög specifik energi (större än eller lika med 140 Wh/kg), flera gånger högre än sekundära batterier som nickel-kadmium och nickel-väte. En termisk rinnande reaktion frigör värme och kan leda till osäkert beteende.
(3). Använder ett organiskt elektrolytsystem
Det organiska lösningsmedlet i det organiska elektrolytsystemet är kolväte, som har en låg nedbrytningsspänning och är benägen att oxidera. Lösningsmedlet är också brandfarligt; batteriet kommer att fatta eld, brinna eller explodera om läckage uppstår.
(4). Hög sannolikhet för sidoreaktioner
Under normal användning av litiumjonbatterier utförs kemiska positiva reaktioner där elektrisk och kemisk energi omvandlas till varandra internt. Under vissa förhållanden, såsom överladdning, överladdning eller överström, är det emellertid lätt att orsaka kemiska sidoreaktioner inuti batteriet. När denna bireaktion intensifieras kommer det att allvarligt påverka batteriets prestanda och livslängd. En stor mängd gas kan produceras, vilket får trycket inuti batteriet att snabbt öka och sedan explodera och fatta eld, vilket orsakar säkerhetsproblem.
(5). Strukturen hos elektrodmaterialet är instabil
Överladdningsreaktionen hos litiumjonbatterier kommer att förändra strukturen på katodmaterialet, vilket gör att materialet får en stark oxidationseffekt och gör att lösningsmedlet i elektrolyten genomgår kraftig oxidation. denna effekt är oåterkallelig, och om värmen som orsakas av reaktionen ackumuleras, Det finns en risk för termisk rusning.
Analys av orsakerna till säkerhetsproblem i litiumjonbatteriprodukter
Efter 30 år av industriell utveckling av litiumjonbatteriprodukter har säkerhetstekniken gjort stora framsteg, effektivt kontrollerar förekomsten av sidoreaktioner i batteriet och säkerställer batterisäkerhet. Men eftersom litiumjonbatterier används mer och mer allmänt och deras energitäthet blir högre och högre, har incidenter som explosioner och skador eller produktåterkallelser på grund av säkerhetsrisker inträffat ofta de senaste åren. Vi sammanfattar huvudorsakerna till säkerhetsproblem i litiumjonbatteriprodukter enligt följande:
1. Problem med batterikärnan
Materialen som används i batterikärnan inkluderar positivt aktivt material, negativt aktivt material, separator, elektrolyt och skal, etc. Valet av material och matchningen av det sammansatta systemet avgör batterikärnans säkerhetsprestanda. Vid val av positiva och negativa aktiva material och separatormaterial gjorde tillverkaren inte en viss bedömning av egenskaperna och matchningen av råvarorna, vilket resulterade i inneboende brister i battericellernas säkerhet.
2. Produktionsprocessfrågor
Råvarorna i battericeller är inte strikt testade. Produktionsmiljön är dålig, vilket leder till blandning av föroreningar i produktionen, vilket inte bara har en stor nackdel på batteriets kapacitet, utan också har stor inverkan på batteriets säkerhet; Dessutom, om för mycket blandas in i elektrolyten kan fukt orsaka sidoreaktioner som ökar batteriets inre tryck, vilket påverkar säkerheten; på grund av begränsningar i produktionsprocessnivån kan produkten inte uppnå god konsistens under produktionsprocessen av battericellerna, såsom dålig planhet i elektrodbasen, problem som att falla av elektrodaktiva material, blandning av andra föroreningar i aktiva material , svag fliksvetsning, instabil svetstemperatur, grader på kanterna på polstycken och underlåtenhet att använda isolerande tejp på viktiga delar kan alla påverka batterikärnans säkerhet. negativ effekt.
3. Defekter i batterikärnan och minskad säkerhetsprestanda
När det gäller strukturell design tas många nyckelpunkter som har en inverkan på säkerheten inte på allvar av tillverkarna, såsom frånvaron av isoleringstejp i viktiga delar, separatordesignen lämnar ingen marginal eller otillräcklig marginal, den positiva och negativa elektrodkapaciteten förhållandets utformning är orimlig, och den positiva och negativa elektrodaktiviteten Utformningen av materialareaförhållandet är orimlig, utformningen av fliklängden är orimlig, etc., vilket kan utgöra dolda faror för batteriets säkerhet. Dessutom, i produktionsprocessen av battericeller, för att spara kostnader och förbättra prestanda, försöker vissa batteritillverkare spara och komprimera råmaterial, såsom att minska membranområdet, förtunning av kopparfolie och aluminiumfolie, och inte använda tryckavlastningsventiler och isolerband, etc., kommer dessa att minska batteriets säkerhet.
4. Energitätheten är för hög
Marknaden eftersträvar batteriprodukter med högre kapacitet. För att öka produktens konkurrenskraft fortsätter tillverkarna att öka den volymspecifika energin hos litiumjonbatterier, vilket kraftigt ökar risken för batterier.
Säkerhetsteknik
Även om litiumjonbatterier har många dolda faror, under specifika användningsförhållanden och genom att vidta vissa åtgärder, kan förekomsten av sidoreaktioner och våldsamma reaktioner i cellerna kontrolleras effektivt för att säkerställa deras säkerhet. Det följande introducerar kortfattat flera vanliga säkerhetstekniker för litiumjonbatterier.
Välj råvaror med högre säkerhetsfaktor
Välj positiva och negativa aktiva material, separatormaterial och elektrolyter med högre säkerhetsfaktorer.
Säkerheten för katodmaterial baseras huvudsakligen på följande tre aspekter:
1. Materialets termodynamiska stabilitet;
2. Materialens kemiska stabilitet;
3. Materialens fysikaliska egenskaper.
b) Val av membranmaterial
Separatorns huvudfunktion är att separera de positiva och negativa elektroderna på batteriet för att förhindra att de positiva och negativa elektroderna kommer i kontakt och orsakar kortslutning. Samtidigt har den förmågan att låta elektrolytjoner passera igenom, det vill säga den har elektronisk isolering och jonledningsförmåga. Följande punkter bör noteras när du väljer separatorer för litiumjonbatterier:
1. Den har elektronisk isolering och säkerställer den mekaniska isoleringen av de positiva och negativa elektroderna;
2. Den har en viss porstorlek och porositet för att säkerställa lågt motstånd och hög jonledningsförmåga;
3. Membranmaterialet har tillräcklig kemisk stabilitet och måste vara resistent mot elektrolytkorrosion;
4. Membranet måste ha funktionen av automatiskt avstängningsskydd;
5. Den termiska krympningen och deformerbarheten av membranet bör vara så liten som möjligt;
6 The diaphragm must have a certain thickness;
7 Diafragman måste ha stark fysisk styrka och tillräckligt motstånd mot punktering.
c) Val av elektrolyt
Elektrolyten är en viktig komponent i litiumjonbatterier och spelar en roll för att transportera och leda ström mellan batteriets positiva och negativa elektroder. Elektrolyten som används i litiumjonbatterier är en elektrolytlösning som bildas genom att lösa ett lämpligt litiumsalt i ett organiskt aprotiskt blandat lösningsmedel. Det ska vanligtvis uppfylla följande krav:
1. God kemisk stabilitet, ingen kemisk reaktion med elektrodaktiva material, strömavtagare och separatorer;
2. Bra elektrokemisk stabilitet och brett elektrokemiskt fönster;
3 Litiumjoner har hög konduktivitet och låg elektronisk konduktivitet;
4. Brett vätsketemperaturområde;
5. Säker, giftfri och miljövänlig.
Stärk den övergripande säkerhetsdesignen för battericeller
Batterikärnan är länken som kombinerar olika material i batteriet. Den integrerar den positiva elektroden, den negativa elektroden, separatorn, fliken och förpackningsfilmen. Den strukturella designen av batterikärnan påverkar inte bara prestanda hos olika material utan också batteriets totala prestanda. Elektrokemisk prestanda och säkerhetsprestanda har en viktig inverkan. Valet av material och den strukturella designen av batterikärnan står i ett partiellt och övergripande förhållande. Materialegenskaperna bör kombineras i batterikärnans design för att formulera en rimlig strukturell modell.
Dessutom kan vissa ytterligare skyddsanordningar också övervägas i litiumbatteristrukturen. Vanliga skyddsmekanismer inkluderar följande:
1. Med hjälp av omkopplingselement, när temperaturen inuti batteriet stiger, ökar dess motstånd i enlighet med detta. När temperaturen är för hög kommer strömförsörjningen automatiskt att stoppas;
2. Sätt upp en säkerhetsventil (ventilationshålet på toppen av batteriet). När batteriets interna tryck stiger till ett visst värde öppnas säkerhetsventilen automatiskt för att säkerställa dess säkerhet.
Följande är några exempel på säkerhetsdesign av battericellstrukturer:
a) Kapacitetsförhållande för positiva och negativa elektroder och designstorlek på chip
Välj lämpligt förhållande mellan positiv och negativ elektrodkapacitet baserat på egenskaperna hos de positiva och negativa elektrodmaterialen. Förhållandet mellan batterikärnans positiva och negativa elektrodkapacitet är en viktig länk relaterad till litiumjonbatteriets säkerhet. Om den positiva elektrodkapaciteten är för stor, kommer metalliskt litium att synas på ytan av den negativa elektroden. avsättning, och om den negativa elektroden är för stor, kommer batterikapaciteten att drabbas av en större förlust. Generellt sett görs N/P=1.05~1.15 och lämpliga val baserat på faktisk batterikapacitet och säkerhetskrav. Designa storleken på biten så att positionen för den negativa elektrodpastan (aktivt material) täcker (är större än) positionen för den positiva elektrodpastan. I allmänhet bör bredden vara 1 till 5 mm större och längden bör vara 5 till 10 mm större.
b) Tillåtelse för diafragmans bredd
Den övergripande principen för design av separatorbredd är att förhindra interna kortslutningar orsakade av direktkontakt mellan de positiva och negativa elektroderna. På grund av den termiska krympningen av separatorn under laddning och urladdning av batteriet och i termisk chock och andra miljöer, kommer separatorn att deformeras i längd- och breddriktningarna, och separatorn kommer att Det skrynkliga området ökar polarisationen på grund av den ökade avståndet mellan de positiva och negativa elektroderna; separatorns sträckta yta ökar risken för mikrokortslutning på grund av separatorns förtunning; krympningen av separatorns kantområde kan göra att de positiva och negativa elektroderna direkt kommer att ske. Intern kortslutning uppstår på grund av kontakt, vilket kommer att göra att batteriet är i fara på grund av termisk rusning. Därför, när man designar ett batteri, måste krympningsegenskaperna hos separatorn beaktas vid användning av area och bredd. Separatorn är större än anoden och katoden. Med tanke på processfel måste isoleringsfilmen vara minst 0,1 mm längre än den yttre kanten av polstycket.
c) Isoleringsbehandling
Intern kortslutning är en viktig faktor i säkerhetsrisken med litiumjonbatterier. I den strukturella utformningen av battericellen kan många potentiellt farliga delar orsaka interna kortslutningar. Därför bör nödvändiga åtgärder eller isolering sättas upp på dessa nyckelplatser för att förhindra uppkomsten av interna kortslutningar under onormala omständigheter. Om en kortslutning inträffar i batteriet, till exempel, håll ett nödvändigt avstånd mellan de positiva och negativa elektrodöronen; applicera isoleringstejp på den avslutande enkelsidan utan pasta i mitten och täck alla exponerade delar; applicera isoleringstejp mellan den positiva aluminiumfolien och det negativa aktiva materialet; tillämpning Isoleringstejp täcker alla svetsdelar av flikarna; isoleringstejp används på toppen av batterikärnan.
d) Sätt upp en säkerhetsventil (tryckavlastningsanordning)
Litiumjonbatterier är ofta i fara eftersom den interna temperaturen eller trycket är för högt, vilket orsakar explosioner eller bränder; Att installera en rimlig tryckavlastningsanordning kan snabbt släppa ut trycket och värmen inuti batteriet när fara uppstår, vilket minskar risken för explosion. En rimlig tryckavlastningsanordning krävs för att klara batteriets inre tryck under normal drift och automatiskt öppnas för att släppa ut trycket när det inre trycket når den farliga gränsen. När du ställer in tryckavlastningsanordningens läge måste effekten av ökningen av det interna trycket i batteriskalet beaktas. Utformade baserat på deformationsegenskaper kan säkerhetsventiler utformas genom lameller, kanter, sömmar och skåror.
Förbättra tekniknivån
Ansträngningar bör göras för att standardisera battericellproduktionsprocessen. I stegen att blanda, belägga, baka, komprimera, skära och linda, standardisera (såsom membranbredd, elektrolytinjektionsvolym, etc.) och förbättra processmetoder (såsom lågtrycksinsprutningsmetod, centrifugalbelastning, etc.) Shell-metoden, etc.), gör ett bra jobb inom processkontroll, säkerställer processkvalitet och minskar skillnaderna mellan produkter; sätta upp speciella processsteg i nyckelsteg som påverkar säkerheten (som att grada elektrodplattan, sopa pulver och använda olika svetsmetoder för olika material) metoder etc.), implementera standardiserad kvalitetsövervakning, eliminera defekta delar och uteslut defekta produkter (såsom deformation av polstycket, membranpunktion, aktivt material som faller av, elektrolytläckage, etc.); hålla produktionsplatsen ren och ren och implementera 5S-hantering och 6 -sigma kvalitetskontroll för att förhindra blandning av föroreningar och fukt under produktionen och minimera inverkan av olyckor på säkerheten under produktionen.
