Verstehen Sie die Sicherheitstechnologie für Lithiumbatterien aus drei Blickwinkeln: Material, Design und Prozess
Gefahren von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften und Systemzusammensetzung eine potenziell gefährliche chemische Energiequelle.
(1). Hohe chemische Aktivität
Lithium ist ein Hauptgruppe-I-Element in der zweiten Periode des Periodensystems der Elemente und verfügt über äußerst aktive chemische Eigenschaften.
(2). Hohe Energiedichte
Lithium-Ionen-Batterien haben eine extrem hohe spezifische Energie (größer oder gleich 140 Wh/kg), ein Vielfaches der von Sekundärbatterien wie Nickel-Cadmium und Nickel-Wasserstoff. Eine thermische Durchgehenreaktion setzt Wärme frei und kann zu unsicherem Verhalten führen.
(3) Verwendung eines organischen Elektrolytsystems
Das organische Lösungsmittel des organischen Elektrolytsystems ist Kohlenwasserstoff, der eine niedrige Zersetzungsspannung aufweist und zur Oxidation neigt. Das Lösungsmittel ist außerdem entflammbar; die Batterie kann Feuer fangen, brennen oder explodieren, wenn es ausläuft.
(4). Hohe Wahrscheinlichkeit von Nebenwirkungen
Bei normalem Gebrauch von Lithium-Ionen-Batterien finden intern chemische positive Reaktionen statt, bei denen elektrische und chemische Energie ineinander umgewandelt werden. Unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. bei Überladung, Überentladung oder Überstrombetrieb, können jedoch leicht chemische Nebenreaktionen im Inneren der Batterie auftreten. Wenn sich diese Nebenreaktion verstärkt, beeinträchtigt dies die Leistung und Lebensdauer der Batterie erheblich. Es kann eine große Menge Gas entstehen, wodurch der Druck im Inneren der Batterie schnell ansteigt und dann explodiert und Feuer fängt, was Sicherheitsprobleme verursacht.
(5). Die Struktur des Elektrodenmaterials ist instabil
Die Überladereaktion von Lithium-Ionen-Batterien verändert die Struktur des Kathodenmaterials, wodurch das Material einen starken Oxidationseffekt erfährt und das Lösungsmittel im Elektrolyt stark oxidiert. Dieser Effekt ist irreversibel und wenn sich die durch die Reaktion verursachte Wärme ansammelt, besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens.
Analyse der Ursachen für Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Batterieprodukten
Nach 30 Jahren industrieller Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterieprodukten hat die Sicherheitstechnologie große Fortschritte gemacht, das Auftreten von Nebenreaktionen in der Batterie wirksam kontrolliert und die Batteriesicherheit gewährleistet. Da Lithium-Ionen-Batterien jedoch immer häufiger verwendet werden und ihre Energiedichte immer höher wird, kam es in den letzten Jahren häufig zu Vorfällen wie Explosionen und Verletzungen oder Produktrückrufen aufgrund von Sicherheitsrisiken. Wir fassen die Hauptgründe für Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Batterieprodukten wie folgt zusammen:
1. Probleme mit dem Material des Batteriekerns
Zu den im Batteriekern verwendeten Materialien gehören positives Aktivmaterial, negatives Aktivmaterial, Separator, Elektrolyt und Hülle usw. Die Auswahl der Materialien und die Abstimmung des zusammengesetzten Systems bestimmen die Sicherheitsleistung des Batteriekerns. Bei der Auswahl der positiven und negativen Aktivmaterialien und der Separatormaterialien hat der Hersteller keine bestimmte Bewertung der Eigenschaften und Abstimmung der Rohstoffe durchgeführt, was zu inhärenten Mängeln bei der Sicherheit der Batteriezellen führt.
2. Probleme im Produktionsprozess
Die Rohstoffe der Batteriezellen werden nicht streng geprüft. Die Produktionsumgebung ist schlecht, was zur Beimischung von Verunreinigungen während der Produktion führt, was nicht nur die Kapazität der Batterie stark beeinträchtigt, sondern auch die Sicherheit der Batterie stark beeinträchtigt. Wenn außerdem zu viel Feuchtigkeit in den Elektrolyten eingemischt wird, kann dies zu Nebenreaktionen führen, die den Innendruck der Batterie erhöhen und die Sicherheit beeinträchtigen. Aufgrund von Einschränkungen auf der Ebene des Produktionsprozesses kann das Produkt während des Herstellungsprozesses der Batteriezellen keine gute Konsistenz erreichen, z. B. aufgrund einer schlechten Ebenheit der Elektrodenbasis. Probleme wie das Abfallen von Elektrodenaktivmaterialien, das Einmischen anderer Verunreinigungen in aktive Materialien, schwaches Laschenschweißen, instabile Schweißtemperatur, Grate an den Kanten der Polstücke und das Versäumnis, Isolierband an wichtigen Teilen zu verwenden, können sich alle negativ auf die Sicherheit des Batteriekerns auswirken.
3. Konstruktionsfehler im Batteriekern und verringerte Sicherheit
In Bezug auf das strukturelle Design werden viele wichtige Punkte, die sich auf die Sicherheit auswirken, von den Herstellern nicht ernst genommen, z. B. das Fehlen von Isolierband an wichtigen Teilen, das Separatordesign, das keinen oder unzureichenden Spielraum lässt, das Design des Kapazitätsverhältnisses der positiven und negativen Elektroden, das Design des Materialflächenverhältnisses der Aktivität der positiven und negativen Elektroden, das Design der Laschenlänge usw., was versteckte Gefahren für die Sicherheit der Batterie bergen kann. Darüber hinaus versuchen einige Batteriehersteller im Produktionsprozess von Batteriezellen, um Kosten zu sparen und die Leistung zu verbessern, Rohstoffe einzusparen und zu komprimieren, z. B. durch Reduzierung der Membranfläche, dünnere Kupferfolie und Aluminiumfolie und den Verzicht auf Überdruckventile und Isolierbänder usw., was die Sicherheit der Batterie verringert.
4. Die Energiedichte ist zu hoch
Der Markt strebt nach Batterieprodukten mit höherer Kapazität. Um die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte zu steigern, erhöhen die Hersteller weiterhin die volumenspezifische Energie von Lithium-Ionen-Batterien, was das Risiko von Batterien erheblich erhöht.
Sicherheitstechnik
Obwohl Lithium-Ionen-Batterien viele versteckte Gefahren bergen, kann das Auftreten von Nebenreaktionen und heftigen Reaktionen in den Zellen unter bestimmten Einsatzbedingungen und durch das Ergreifen bestimmter Maßnahmen wirksam kontrolliert werden, um ihre Sicherheit zu gewährleisten. Im Folgenden werden einige häufig verwendete Sicherheitstechnologien für Lithium-Ionen-Batterien kurz vorgestellt.
Wählen Sie Rohstoffe mit einem höheren Sicherheitsfaktor
Wählen Sie positive und negative Aktivmaterialien, Separatormaterialien und Elektrolyte mit höheren Sicherheitsfaktoren.
a) Auswahl der Kathodenmaterialien
Die Sicherheit von Kathodenmaterialien basiert im Wesentlichen auf den folgenden drei Aspekten:
1. Thermodynamische Stabilität des Materials;
2. Chemische Stabilität der Werkstoffe;
3. Physikalische Eigenschaften von Materialien.
b) Auswahl der Membranmaterialien
Die Hauptfunktion des Separators besteht darin, die positiven und negativen Elektroden der Batterie zu trennen, um zu verhindern, dass die positiven und negativen Elektroden in Kontakt kommen und einen Kurzschluss verursachen. Gleichzeitig hat es die Fähigkeit, Elektrolytionen durchzulassen, d. h. es verfügt über elektronische Isolierung und Ionenleitfähigkeit. Bei der Auswahl von Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien sind folgende Punkte zu beachten:
1. Es verfügt über eine elektronische Isolierung und gewährleistet die mechanische Isolierung der positiven und negativen Elektroden;
2. Es hat eine bestimmte Porengröße und Porosität, um einen niedrigen Widerstand und eine hohe Ionenleitfähigkeit zu gewährleisten;
3. Das Membranmaterial muss eine ausreichende chemische Stabilität aufweisen und gegen Elektrolytkorrosion beständig sein.
4. Die Membran muss über eine automatische Abschaltschutzfunktion verfügen.
5. Die thermische Schrumpfung und Verformbarkeit der Membran sollte so gering wie möglich sein;
6 Die Membran muss eine bestimmte Dicke haben;
7 Das Diaphragma muss eine hohe physikalische Festigkeit und ausreichende Durchstoßfestigkeit aufweisen.
c) Auswahl des Elektrolyten
Der Elektrolyt ist ein wichtiger Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien und spielt eine Rolle beim Transport und der Leitung von Strom zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie. Der in Lithium-Ionen-Batterien verwendete Elektrolyt ist eine Elektrolytlösung, die durch Auflösen eines geeigneten Lithiumsalzes in einem organischen aprotischen Mischlösungsmittel gebildet wird. Es sollte normalerweise die folgenden Anforderungen erfüllen:
1. Gute chemische Stabilität, keine chemische Reaktion mit Elektrodenaktivmaterialien, Stromkollektoren und Separatoren;
2. Gute elektrochemische Stabilität und breites elektrochemisches Fenster;
3 Lithiumionen haben eine hohe Leitfähigkeit und eine geringe elektronische Leitfähigkeit;
4. Großer Flüssigkeitstemperaturbereich;
5. Sicher, ungiftig und umweltfreundlich.
Stärkung des allgemeinen Sicherheitsdesigns von Batteriezellen
Der Batteriekern ist das Bindeglied, das die verschiedenen Materialien in der Batterie verbindet. Er integriert die positive Elektrode, die negative Elektrode, den Separator, die Lasche und die Verpackungsfolie. Das strukturelle Design des Batteriekerns beeinflusst nicht nur die Leistung der verschiedenen Materialien, sondern auch die Gesamtleistung der Batterie. Die elektrochemische Leistung und die Sicherheitsleistung haben einen wichtigen Einfluss. Die Auswahl der Materialien und das strukturelle Design des Batteriekerns stehen in einer teilweisen und umfassenden Beziehung. Die Materialeigenschaften sollten im Batteriekerndesign kombiniert werden, um ein vernünftiges Strukturmodell zu formulieren.
Darüber hinaus können einige zusätzliche Schutzvorrichtungen in der Lithiumbatteriestruktur berücksichtigt werden. Zu den üblichen Schutzmechanismus-Designs gehören die folgenden:
1. Durch Schaltelemente steigt der Widerstand der Batterie, wenn die Temperatur im Inneren der Batterie steigt. Wenn die Temperatur zu hoch ist, wird die Stromversorgung automatisch unterbrochen.
2. Richten Sie ein Sicherheitsventil ein (das Entlüftungsloch oben auf der Batterie). Wenn der Innendruck der Batterie auf einen bestimmten Wert steigt, öffnet sich das Sicherheitsventil automatisch, um ihre Sicherheit zu gewährleisten.
Nachfolgend einige Beispiele für die Sicherheitsauslegung von Batteriezellstrukturen:
a) Kapazitätsverhältnis der positiven und negativen Elektroden und Baugröße des Chips
Wählen Sie das geeignete Verhältnis der positiven und negativen Elektrodenkapazität basierend auf den Eigenschaften der positiven und negativen Elektrodenmaterialien. Das Verhältnis der positiven und negativen Elektrodenkapazitäten des Batteriekerns ist ein wichtiger Faktor für die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie. Wenn die positive Elektrodenkapazität zu groß ist, bildet sich metallisches Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode. Wenn die negative Elektrode zu groß ist, geht die Batteriekapazität stärker verloren. Im Allgemeinen gilt N/P=1,05~1,15, und die entsprechende Auswahl wird basierend auf der tatsächlichen Batteriekapazität und den Sicherheitsanforderungen getroffen. Gestalten Sie die Größe des Stücks so, dass die Position der negativen Elektrodenpaste (aktives Material) die Position der positiven Elektrodenpaste abdeckt (größer ist als diese). Im Allgemeinen sollte die Breite 1 bis 5 mm größer und die Länge 5 bis 10 mm größer sein.
b) Berücksichtigung der Membranbreite
Das allgemeine Prinzip des Separatorbreitendesigns besteht darin, interne Kurzschlüsse zu verhindern, die durch direkten Kontakt zwischen den positiven und negativen Elektroden verursacht werden. Aufgrund der thermischen Schrumpfung des Separators während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie sowie bei Thermoschock und anderen Umgebungen verformt sich der Separator in Längen- und Breitenrichtung, und der faltige Bereich des Separators erhöht die Polarisation aufgrund des vergrößerten Abstands zwischen den positiven und negativen Elektroden; der gedehnte Bereich des Separators erhöht die Möglichkeit eines Mikrokurzschlusses aufgrund der Ausdünnung des Separators; das Schrumpfen des Separatorrandbereichs kann dazu führen, dass die positiven und negativen Elektroden direkt ineinander greifen. Durch den direkten Kontakt tritt ein interner Kurzschluss auf, wodurch die Batterie durch thermisches Durchgehen gefährdet wird. Daher müssen beim Design einer Batterie die Schrumpfungseigenschaften des Separators bei der Verwendung von Fläche und Breite berücksichtigt werden. Der Separator ist größer als Anode und Kathode. Unter Berücksichtigung von Prozessfehlern muss die Isolierfolie mindestens 0,1 mm länger sein als die Außenkante des Polstücks.
c) Isolierbehandlung
Interne Kurzschlüsse sind ein wichtiger Faktor für die Sicherheitsrisiken von Lithium-Ionen-Batterien. Im strukturellen Design der Batteriezelle können viele potenziell gefährliche Teile interne Kurzschlüsse verursachen. Daher sollten an diesen wichtigen Stellen die erforderlichen Maßnahmen oder Isolierungen getroffen werden, um das Auftreten interner Kurzschlüsse unter abnormalen Umständen zu verhindern. Wenn beispielsweise innerhalb der Batterie ein Kurzschluss auftritt, halten Sie einen erforderlichen Abstand zwischen den positiven und negativen Elektrodenlaschen ein; bringen Sie Isolierband auf der einzelnen Seite ohne Paste in der Mitte an und decken Sie alle freiliegenden Teile ab; bringen Sie Isolierband zwischen der positiven Aluminiumfolie und dem negativen aktiven Material an; wenden Sie Isolierband an, um alle Schweißteile der Laschen abzudecken; Isolierband wird auf der Oberseite des Batteriekerns verwendet.
d) Ein Sicherheitsventil (Druckbegrenzungsvorrichtung) installieren
Lithium-Ionen-Batterien sind häufig gefährdet, weil die Innentemperatur oder der Innendruck zu hoch sind, was zu Explosionen oder Bränden führen kann. Durch die Einrichtung eines angemessenen Druckentlastungsgeräts können Druck und Hitze im Inneren der Batterie bei Gefahr schnell abgelassen werden, wodurch das Explosionsrisiko verringert wird. Ein angemessenes Druckentlastungsgerät muss den Innendruck der Batterie während des normalen Betriebs decken und sich automatisch öffnen, um den Druck abzulassen, wenn der Innendruck die Gefahrengrenze erreicht. Beim Einstellen der Position des Druckentlastungsgeräts müssen die Auswirkungen des Anstiegs des Innendrucks des Batteriegehäuses berücksichtigt werden. Sicherheitsventile können auf der Grundlage von Verformungseigenschaften durch Lamellen, Kanten, Nähte und Kerben konstruiert werden.
Verbessern Sie das Technologieniveau
Es sollten Anstrengungen unternommen werden, um den Produktionsprozess von Batteriezellen zu standardisieren. In den Schritten Mischen, Beschichten, Backen, Verdichten, Schlitzen und Wickeln müssen die Prozessmethoden (wie Membranbreite, Elektrolyt-Einspritzvolumen usw.) standardisiert und verbessert werden (wie Niederdruck-Einspritzmethode, Zentrifugalbeladung usw.), die Prozesskontrolle gut durchgeführt, die Prozessqualität sichergestellt und die Unterschiede zwischen den Produkten verringert werden; in wichtigen Schritten, die sich auf die Sicherheit auswirken, spezielle Prozessschritte eingerichtet werden (wie Entgraten der Elektrodenplatte, Kehrpulver und Verwendung unterschiedlicher Schweißmethoden für unterschiedliche Materialien usw.), eine standardisierte Qualitätsüberwachung implementiert, defekte Teile eliminiert und defekte Produkte ausgeschlossen werden (wie Polstückverformung, Membrandurchstoß, Abfallen des aktiven Materials, Elektrolytleckage usw.); die Produktionsstätte sauber und ordentlich gehalten und 5S-Management und 6 -Sigma-Qualitätskontrolle implementiert werden, um das Einmischen von Verunreinigungen und Feuchtigkeit während der Produktion zu verhindern und die Auswirkungen von Unfällen auf die Sicherheit während der Produktion zu minimieren.
