Visoka sigurnost nikal-litijumskih baterija je postala konsenzus, ali su poluprovodničke litijumske baterije sada podijeljene
Tržište električnih vozila koje poštuje gustinu energije donijelo je ogromne izazove sigurnosti baterija i kompletnih vozila. U 2018. godini u Kini su se dogodile 52 sigurnosne nesreće na milion električnih vozila. Što se tiče scena, punjenje, vožnja i parkiranje su sve scene u kojima se događaju sigurnosne nesreće.
Ako se analiziraju razlozi, 58% požarnih nesreća je uzrokovano termičkim bijegom litijumskih baterija. Skoro 90% toplotnog bijega uzrokovano je kratkim spojevima. Na nivou ćelije, pozitivni i negativni materijali, elektrolit i dijafragma su direktan osigurač za termički bijeg. Nakon grupisanja, kako suzbiti termičku difuziju u konstrukcijskom dizajnu, hlađenju i električnoj kontroli povezano je s tim da li se rizik od toplotnog bijega može smanjiti ili ugušiti.
Od 16. do 17. oktobra 2019. u Šangaju je održana konferencija o tehnologiji novih energetskih akumulatora za vozila nove generacije 2019. Kina-Japan-Koreja. Konferencija je podijeljena na dva foruma, a teme su termička sigurnost baterija i rješenja te ključna tehnologija poluprovodničkih baterija i izazovi industrijalizacije.
Forum 1, proizvođači originalne opreme, kompanije za električne baterije, poznati univerziteti, laboratorije i institucije za testiranje će razgovarati o uzrocima i rješenjima za termički bijeg baterija s visokim sadržajem nikla, jer specifični energetski nivo akumulatora nastavlja da raste. Forum 2 bavi se analizom različitih puteva tehnologije čvrstih baterija i statusa quo.
Sistem za uvid u termičku sigurnost
Puni životni ciklus akumulatora počinje od odabira sistema materijala, do završetka baterijske ćelije, oblikovanja modula i paketa, upravljanja baterijom nakon ugradnje i primjene, do upotrebe u radu vozila.
Osnovni uzrok toplotnog bijega je ćelija baterije. Pozitivne i negativne elektrode su"osigurač" a elektrolit je"skladište goriva". Treba samo"iskra" da izazove toplotni bijeg ili požar.
& quot;Sparks" ili dolaze iz unutrašnjosti ćelije ili nastaju izvana. Interni faktori se uglavnom odnose na nestabilne faktore koji nastaju tokom dizajna i proizvodnje baterija; Eksterni faktori se uglavnom odnose na razloge uzrokovane osobljem i vanjskim uslovima tokom transporta, ugradnje, rada i održavanja baterije.
Termički sigurnosni kvar baterije uglavnom je uzrokovan lokalnim pregrijavanjem, što uzrokuje kratki spoj unutar baterije, ili mikro kratki spoj uzrokuje oštećenje membrane baterije i kratki spoj veće površine.
Litijum-jonske baterije su nadograđene sa NCM111 i NCM523 na NCM622 i NCM811. Sadržaj nikla u ternarnom materijalu pozitivne elektrode nastavlja da raste, temperatura oslobađanja kiseonika nastavlja da pada, a termička stabilnost materijala pozitivne elektrode postaje sve gora i lošija. Smanjenje temperature oslobađanja kiseonika znači da je litijumska baterija otpornija na toplotu. Kako temperatura raste, materijal pozitivne elektrode prelazi iz slojevite strukture u strukturu spinela, a zatim formira kamenu sol i oslobađa aktivni kisik. Rast kamene soli i oslobađanje kiseonika su fundamentalni problemi uzrokovani toplotnim bežanjem.
Elektrohemijska zloupotreba je najveći problem za fabrike baterija. U uslovima zloupotrebe kao što su termalni šok, prekomerno punjenje i prekomerno pražnjenje, aktivni materijal i elektrolit unutar baterije će proizvesti litijum dendrite, koji probijaju dijafragmu i izazivaju unutrašnji kratki spoj. Evolucija litija u negativnoj elektrodi glavni je uzrok rasta litij dendrita. Stoga je važno pitanje kako spriječiti litijum dendrite.
Kratki spoj pozitivnih i negativnih elektroda uzrokovan kvarom dijafragme važan je dio termičkog bijega. Kada se sigurnosni film SEI filma uništi, elektrolit reaguje sa elektrodom i stvara toplotu, koja će rastopiti dijafragmu. Štaviše, neprijatelj okrenut prema dijafragmi su litijumski dendriti, koji ugrožavaju njen integritet i stabilnost.
Osim kvara baterije uzrokovanog unutarnjim kratkim spojem, prekomjernim punjenjem, starenjem baterije, itd., mehanički kvar u ekstremnim uvjetima kao što su vanjski kratki spoj, ekstruzija, požar, uranjanje i simulirani sudar također će se pretvoriti u unutrašnji kratki spoj i uzrokovati električne kvar, što će na kraju dovesti do toplotnog bijega.
Neki kvarovi i degradacije performansi do kojih može doći tokom punog životnog ciklusa baterije' dovest će do toga da se baterije koriste izvan dometa bezbedne upotrebe i uzrokovati neke sigurnosne nezgode.
Fabrika baterija i OEM rade zajedno
Unutrašnji i eksterni uzroci toplotnog bijega zahtijevaju suradnju proizvođača baterija i OEM-a kako bi se osiguralo cjelokupno rješenje, uključujući pozitivne i negativne materijale, separatore, elektrolit, upravljanje baterijom i dizajn PACK strukture.
Za tvornice baterija potražite elektrolite otporne na visok pritisak i visoke temperature, monokristalne katodne materijale otporne na visoke temperature, anodne materijale koji inhibiraju litijeve dendrite ili koristite katode NMC811 obložene zaštitnim sredstvima za poboljšanje suhoće. Primjena francuske dijafragme uvodi keramičku dijafragmu za suzbijanje toplotnog bijega na nivou ćelije.
Za OEM proizvođače, obraćanje pažnje na sigurnost same baterije nije dovoljno. Osim problema sa samom baterijom, električni priključak baterije, mehanička sigurnost, priključak za punjenje, problemi svakodnevnog korištenja i brzo rješavanje problema su srž sigurnosti električnih vozila.
OEM's sistem zaštite baterije za napajanje je dizajniran i verifikovan sa četiri aspekta: monomer, modul, BMS i sistem. S jedne strane, sami proizvođači baterija osiguravaju sigurnost vezano za dizajn i proizvodnju. S druge strane, proizvođači originalne opreme razmatraju mehaničku, električnu i termičku sigurnost iz perspektive sigurnosti modula, kao što su sigurnosni razmak, dizajn sile i zaštita.
Što se tiče strukture sklopa, proizvođači originalne opreme moraju uzeti u obzir različite uslove rada vozila, kao i rashladne cjevovode, nove tehnologije hlađenja, rano upozorenje o termičkom bijegu i neproliferaciju. Istovremeno, moraju razmotriti aktivno gašenje požara i način gašenja požara kroz vanjske konstrukcije.
Proizvođači originalne opreme općenito razmišljaju o tome kako poboljšati dizajn sigurnosti baterijskog paketa sa nivoa sistema. Bilo da se radi o pozitivnim i negativnim materijalima elektroda, elektrolitima, dijafragmama, strukturnom dizajnu, hlađenju, termičkom upravljanju i upozorenjima iz predostrožnosti PACK-a nakon grupe, sve su to objekti OEM analize.
Sigurnost litijumskih baterija je velika tema, koja uključuje sve aspekte od materijala, proizvodnje do primjene. Osiguravanje termičke sigurnosti električnih vozila zahtijeva saradnju OEM-a, tvornica baterija i institucija za testiranje kako bi se analizirao mehanizam termičkog bježanja i istražile nove tehnologije za odlaganje pojave termičkog bijega.
Različiti zvukovi solid-state baterija
Kretanje električnih vozila naprijed ukazuje da se specifični energetski standard akumulatora neće vratiti unazad. Primjena visokopotencijalnih pozitivnih i negativnih materijala postala je trend, a NCM811 i silikonske karbonske anode se sve više pojavljuju na tehničkim rutama tvornica baterija. Ali opasnost od požara i dalje prijeti primjenom baterija s visokim sadržajem nikla. Stoga su proizvođači baterija i OEM-i svoju pažnju usmjerili na čvrste elektrolite otporne na plamen i visok pritisak, nadajući se da će riješiti problem ravnoteže između specifične energije i sigurnosti.
Međutim, na ovoj konferenciji Kina-Japan-Koreja, stavovi kineskih i japanskih gostiju o istraživanju i primjeni solid-state baterija su veoma različiti, što dovodi u pitanje inherentne stavove industrije' o solid-state baterijama . U odnosu na usklađene napore lokacije za sigurnosna rješenja s visokim sadržajem nikla, lokacija za čvrste baterije napreduje u razlikama.
Japanski 30-godišnji stručnjak za solid-state baterije dr Tadahiko Kubota, bivši japanski stručnjak za jezgru baterija Toyote i Honde Ogi Eiki, komentariše trenutno stanje istraživanja solid-state baterija može se opisati kao"pesimističan" ;. Poprilično je teško primijeniti čvrste baterije na električna vozila. S druge strane, domaće fabrike baterija kao što su Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Kineska akademija nauka, Univerzitet Tongji i Univerzitet Jiaotong u Šangaju neumorno rade na solid-state baterijama.
Mišljenja japanskih stručnjaka mogu se sažeti na sljedeći način: Toyota Sulfide je još uvijek u fazi istraživanja i razvoja, a masovna proizvodnja je nemoguća uz trenutni nivo tehnologije. Njegova prvobitna namjera razvoja solid-state baterija bila je smanjenje baterija za hibridna vozila. Vanjski svijet pogrešno vjeruje da se čvrste baterije koriste u električnim vozilima. Ovo je razlika između Toyotinog' unutrašnjeg razmišljanja i vanjskog javnog mnijenja.
Što se tiče sigurnosti, solid-state baterije također mogu proizvesti litijum dendrite, a sigurnost je veoma zabrinjavajuća. A o njegovoj sigurnosti ne može se suditi po tome da li je elektrolit zapaljiv. Najvažniji problem je direktan kontakt između pozitivne elektrode i negativne elektrode visoke gustoće energije.
Potpuno čvrste baterije mogu povećati gustinu energije, a jedan od razloga je taj što se vanjski materijali mogu smanjiti. Ali to nije samo karakteristična karakteristika potpuno čvrstih baterija.
Što se tiče brzog punjenja, Toyotin' rad i većina istraživača nisu potvrdili nijedan dokaz da se sve solid-state baterije mogu brzo puniti. Svi su rekli da se litijum dendriti formiraju tokom punjenja. Što više ljudi razumije potpuno čvrste baterije, to više poriču da se one mogu brzo puniti.
Većina patenata Toyote' u protekloj deceniji odnosi se na impedanciju. Proučava se ovaj problem od prije deset godina i još uvijek je veliki problem.
Pogledi domaćih fabrika baterija: Širenje pravih požara direktno je povezano sa organskim tečnim elektrolitima. Čvrsti elektroliti u rasponu od polimera do keramičkih elektrolita mogu poboljšati sigurnost baterije u različitim stupnjevima. U smislu sigurnosti i gustine energije, čvrste baterije su poboljšane u odnosu na konvencionalne tradicionalne litijum-jonske baterije u prošlosti. Pretpostavka je da moramo imati dobru tehnologiju da bismo riješili problem sučelja i osigurali da se čvrsti elektrolit može prilagoditi dizajnu baterije i ispuniti zahtjeve za energetskim baterijama visokog omjera.
Vjerujemo da solid-state baterije imaju prednosti u nekim aspektima. Kada se dijafragma i elektrolit zamijene čvrstim supstancama, imat će veću sigurnost. Kada se poveća sigurnosni prag čitavog sistema, ovaj sistem može koristiti pozitivne i negativne materijale visokog potencijala, kao što su litijum metalne negativne elektrode, i imaće veću gustoću energije u budućnosti.
Trenutni način razmišljanja je da bude kompatibilan sa postojećom opremom za litijumske baterije i tehnologijom litijumskih baterija što je više moguće i da se što više smanji trošak. Budući da čvrste baterije imaju veliku gustoću energije i visoku sigurnost, one se mogu prvo koristiti u nekim posebnim situacijama.
Prednost gustine energije čvrstih baterija relativno nije očigledna na nivou ćelije, a izraženija je na nivou PACK. Do 2021. godine, solid-state baterije će koristiti aktivne materijale sa većim stepenom iskorišćenja, a gustina energije na nivou ćelije će biti ista kao kod tečnih baterija, a zatim će je postepeno nadmašiti.
Iako domaći i inostrani stručnjaci imaju sporove oko gustoće energije i sigurnosti čvrstih baterija, u osnovi smatraju da je komercijalna primjena solid-state baterija dug proces kako bi se riješili neki od nedostataka tekućih baterija. Stoga se solid-state baterije mogu prvo uvesti iz polja motocikala i potrošačke elektronike, a zatim ući u polje električnih vozila kada su tri dimenzije sigurnosti, performansi i cijene zrele.
