1. Mechanisme van het thermische runaway-proces in lithium-ionbatterijen
Lithiumbatterijen worden gevormd door lithiumionen in koolstof (petroleumcokes en grafiet) in te bedden om een negatieve elektrode te vormen. LixCoO2 wordt gewoonlijk gebruikt als positief elektrodemateriaal, terwijl ook LixNiO2 en LixMnO4 worden gebruikt. LiPF6+diethyleencarbonaat (EC)+dimethylcarbonaat (DMC) wordt gebruikt als elektrolyt. De belangrijkste factoren die thermische runaway veroorzaken zijn mechanische schade, overladen, interne kortsluiting, enz. Onder invloed van verschillende factoren ondergaan de actieve materialen in lithium-ionbatterijen gewelddadige exotherme reacties en overschrijdt de interne temperatuur van de batterij het controleerbare bereik. , wat uiteindelijk leidt tot een thermische runaway. De exotherme chemische reacties die plaatsvinden in de lithium-ionbatterij omvatten de ontleding van het vaste elektrolytinterface-gezichtsmasker SEI, de reactie tussen het negatief actieve materiaal en de elektrolyt, de reactie tussen het negatief actieve materiaal en het bindmiddel, en de oxidatie-ontledingsreactie van de elektrolyt.
Tijdens het laad- en ontlaadproces van lithium-ionbatterijen zal het vinylcarbonaat op het vaste-fase-grensvlak van het actieve materiaal van de elektrode reageren met het lithium van de negatieve elektrode, waardoor een laag SEI-film op het grafiethechtoppervlak wordt gevormd. Dit membraan kan de reactie tussen de elektrolyt en de actieve materialen aan beide zijden van de elektrode direct vertragen of zelfs voorkomen, waardoor de exotherme snelheid aanzienlijk wordt verminderd en de stabiliteit van de positieve en negatieve elektrodematerialen wordt verbeterd.
Naarmate de temperatuur stijgt tot 90-120 graad, begint de SEI-film te ontleden, gevolgd door een exotherme reactie tussen de elektrolyt en het actieve materiaal van de negatieve elektrode. Als we vinylcarbonaat als voorbeeld nemen, wordt het reactieproces weergegeven in vergelijkingen (1) en (2):
Tijdens de exotherme reactie neemt de interne temperatuur van de batterij geleidelijk toe. Op basis van het gebruik van verschillende membraanmaterialen variëren ook hun smeltpunten. Het gewone polypropyleenmembraan heeft een smeltpunt van 165 graden en het polyethyleenmateriaal heeft een smeltpunt van 135 graden. Nadat de smeltpunttemperatuur van het separatormateriaal is bereikt, ondergaat de interne separator lokale samentrekking, waardoor direct contact ontstaat tussen de positieve en negatieve elektrodematerialen in de batterij, wat resulteert in een kortsluiting en het genereren van een grote hoeveelheid warmte. De grote hoeveelheid warmte die door de kortsluiting wordt gegenereerd, zorgt ervoor dat het diafragma snel samentrekt, waardoor de exotherme reactie nog wordt verergerd.
Tegelijkertijd ondergaan lithiumzouten in het temperatuurbereik waar de SEI-film ontleedt en exotherme reacties ondergaat, ook intense exotherme reacties met de elektrolyt. Veel voorkomende soorten actieve materialen voor lithium-ionbatterijen zijn onder meer lithiumhexafluorfosfaat (LiPF6), lithiumtetrafluorboraat (LiBF4), enz. Lithiumhexafluorfosfaat ontleedt bij hoge temperaturen om PF5 te produceren, dat verder reageert met het oplosmiddel om de zuurstofatomen van de CO op te nemen. binden en ondergaan een gewelddadige exotherme reactie, waardoor de ontbinding van de elektrolyt verder wordt versneld. Tegelijkertijd komt bij de oxidatie-reductiereactie tussen lithiumhexafluorfosfaat en oplosmiddel ook het zeer giftige gas waterstoffluoride (HF) vrij. Het specifieke reactieproces wordt weergegeven in vergelijkingen (3) tot (5):
Binnen hetzelfde temperatuurbereik ondergaat de elektrolyt zelf een ontledingsreactie en komt er een kleine hoeveelheid brandbaar gas vrij. Bij het gebruik van snelheidscalorimetrie om het thermische runaway-proces te analyseren, werd ontdekt dat de gassen die worden geproduceerd door de ontleding van elektrolyten voornamelijk bestaan uit C2H4, CO en H2. Het elektrolyt verdampt snel en verhoogt de interne druk van de batterij. Wanneer de interne druk de limiet van het overdrukventiel bereikt, wordt een grote hoeveelheid brandbaar gas uitgestoten, waardoor de verspreiding van thermische overstroming verder wordt verergerd. De warmte die wordt gegenereerd door volledige verbranding van elektrolyt is veel groter dan de warmte die vrijkomt bij de ontledingsreactie. Als we ethyleencarbonaat (EC) en propyleencarbonaat (PC) als voorbeelden nemen, zijn de reactieprocessen van elektrolytoxidatie (6)~(7) en onvolledige oxidatie (8)~(9) als volgt:
Naarmate de interne temperatuur van de batterij geleidelijk stijgt, begint het actieve materiaal van de positieve elektrode te ontbinden. Gebaseerd op het gebruik van verschillende actieve materialen varieert ook de temperatuur waarbij exotherme reacties optreden. Door de ontbinding van het actieve materiaal van de positieve elektrode ontstaat zuurstof, die vervolgens deelneemt aan de reactie met het interne actieve materiaal, waardoor een grote hoeveelheid gas in de batterij ontstaat. Het reactieproces is als volgt:
Wanneer de temperatuur de 136 graden overschrijdt, zal het bindmiddel polyvinylideenfluoride (PVDF) reageren met lithium om waterstofgas te produceren. Het reactieproces is als volgt:
Behalve dat de SEI-film smelt en warmte absorbeert, zijn de bovengenoemde chemische reacties allemaal exotherme reacties. De warmte die vrijkomt bij de afbraak van elektrolyten, de afscheider, het actieve batterijmateriaal en de lijm zijn verantwoordelijk voor respectievelijk 43,5%, 30,3%, 20,1% en 6,2% van de totale warmte die vrijkomt. De reactie tussen de positieve en negatieve actieve materialen van de batterij en de elektrolyt is de grootste warmtebron.
2. Factoren die thermische runaway veroorzaken in lithium-ionbatterijen
De triggerende factoren van thermische overstroming in lithium-ionbatterijen kunnen in drie categorieën worden ingedeeld: mechanisch misbruik (naaldpunctie, compressievervorming, externe botsing), elektrisch misbruik (overbelasting en overontlading, kortsluiting) en thermisch misbruik (thermisch beheersysteem). mislukking). Mechanisch misbruik kan gemakkelijk interne kortsluiting in lithiumbatterijen veroorzaken, wat leidt tot thermische overstroming; Bij misbruik van elektriciteit kan het overladen en ontladen van batterijen interne nevenreacties veroorzaken, wat leidt tot plaatselijke oververhitting van de batterijcellen en thermische overstroming veroorzaakt; Externe kortsluiting is een gevaarlijke toestand van snelle ontlading van batterijen, waarbij extreem hoge stromen snelle verwarming veroorzaken en zelfs de batterijpolen doen smelten; In de staat van thermisch misbruik veroorzaakt het falen van het thermische beheersysteem vaak de samentrekking en ontbinding van het interne diafragma, wat uiteindelijk leidt tot interne kortsluiting en thermische overstroming.
Bovendien is de eigen toestand van de batterij ook een van de belangrijke factoren die thermische overstroming veroorzaken. Met de toename van de oplaad- en ontlaadcycli van de batterij en de inductie van onzuiverheden die tijdens de dendrietproductie worden ingemengd, worden ongunstige nevenreacties gegenereerd, zoals metaaldendrieten, die gemakkelijk de separator kunnen doorboren en lokale kortsluiting in de batterij kunnen veroorzaken.
2.1 Onderzoek naar thermische overstroming van batterijen veroorzaakt door thermisch misbruik
Volgens het elektrochemische thermische koppelings-overbelastingswarmte-ontsnappingsmodel van lithium-ionbatterijen dat in de literatuur is vastgelegd, beginnen lithium-ionbatterijen gewoonlijk zichzelf op te warmen wanneer de temperatuur 80 graden bereikt. Wanneer de hitte van de batterij overstroomt en niet effectief kan worden vrijgegeven, zal het thermische beheer van de batterij leiden tot een oncontroleerbare stijging van de batterijtemperatuur, die zich zal verspreiden van lokale individuele cellen naar het krachtige batterijpakket, wat een reeks nevenreacties en thermische overstroming veroorzaakt.
Thermisch misbruik treedt niet spontaan op in de batterij. Als gevolg van mechanisch misbruik of andere redenen stijgt de interne temperatuur van de batterij vaak tot een bepaalde drempel, en worden lokale delen van de batterij opgewarmd, wat leidt tot thermisch misbruik en verdere temperatuurcontrole en zelfontbranding van de batterij in gang zet.
Tegelijkertijd is thermische runaway ook gebruikt als onderzoeksmethode voor het testen van experimentele batterij-runaway-processen en het detecteren van veiligheidskenmerken tijdens thermische runaway van de batterij. In 1999 hebben KITOH et al. heeft onderzoek gedaan naar het monitoren van de thermische runaway-veiligheidskenmerken van batterijen met een hoog specifiek energievermogen op basis van externe verwarmingsmethoden. Sindsdien wordt de adiabatische energiemethode op grote schaal gebruikt om de thermische oververhittingstemperatuurdrempel van lithium-ionbatterijen te testen. Het huidige onderzoek naar thermisch misbruik is voornamelijk gebaseerd op externe stralingsontsteking van batterijen. Liu Mengmeng heeft een multi-endogeen transiënt warmteopwekkingsmodel en een elektrochemisch thermisch koppelingsmodel ontwikkeld. Op basis van de stralingsverwarmingsmethode werden de veiligheidskenmerken van batterijen na zelfontbranding veroorzaakt door thermisch misbruik bestudeerd. Er werd vastgesteld dat de verbranding van batterijen kan worden onderverdeeld in drie fasen, namelijk injectieverbranding, stabiele verbranding en secundaire injectieverbranding. LI et al. bestudeerde het effect van ontlaadstroom op de temperatuur onder de achtergrond van thermische runaway veroorzaakt door thermisch misbruik. Er werd vastgesteld dat wanneer de ontlaadstroom constant is, het kwaliteitsverlies, de veiligheidskarakteristieke parameters, de thermische runaway-initiatietemperatuur en de piektemperatuur tijdens het thermische runaway-proces allemaal afhankelijk zijn van de batterijcapaciteit.
2.2 Onderzoek naar thermische overstroming van batterijen veroorzaakt door elektrisch misbruik
Veelvoorkomende oorzaken van het oververhit raken van de batterij zijn onder meer overladen en ontladen, interne kortsluiting, externe kortsluiting, enz.
(1) Overbelasting en overontlading
Tijdens de voltooiing van een laad-ontlaadcyclus in een lithium-ionbatterij zal het BMS-batterijbeheersysteem normaal gesproken de laadstroom blokkeren op basis van de laadstatus. Wanneer het BMS-systeem uitvalt, kan het overladen van de accu gemakkelijk ernstige zelfontbrandingsongevallen veroorzaken. Na het bereiken van de SOC-drempel tijdens het opladen, zal lithiummetaal zich hechten aan het oppervlak van het actieve materiaal van de negatieve elektrode, en het aangehechte lithium zal bij een bepaalde temperatuur reageren met de elektrolyt, waardoor een grote hoeveelheid gas met hoge temperatuur vrijkomt. Tegelijkertijd begint het actieve materiaal van de positieve elektrode te smelten als gevolg van overmatige lithiumverwijdering en een groot potentiaalverschil met de negatieve elektrode. Zodra de positieve elektrodepotentiaal de veilige spanning van de elektrolyt overschrijdt, zal de elektrolyt ook een oxidatiereactie ondergaan met het actieve materiaal van de positieve elektrode. Tijdens het overbelastingsproces kan een reeks nevenreacties optreden, zoals ohmse verwarming en gasoverstroming, waardoor het optreden van thermische overbelasting wordt verergerd.
Het gas dat vrijkomt bij het overladen van lithium-ionbatterijen bestaat voornamelijk uit CO2, CO, H2, CH4, C2H6 en C2H4, en het gasvolume en de warmte nemen toe met de toename van de laadstroom. Door gebruik te maken van een versnelde calorimeter en een batterijcyclusanalysator voor gezamenlijke analyse, laat het experiment zien dat het gevaar van overladen op basis van constante stroomconstante spanning veel groter is dan dat van direct overladen met constante stroom. Gebaseerd op de overbelastingsprestaties van composiet positieve elektrode en grafiet negatieve elektrode in verschillende experimentele omgevingen, Ren et al. uitgebreid gekeken naar de effecten van laadstroom, scheidingsmateriaal en warmteafvoersysteem. Uit het onderzoek bleek dat de hoeveelheid warmte die vrijkomt bij het overladen van NCM-batterijen niet nauw samenhangt met de omvang van de laadstroom. Het smeltpunt van verschillende scheidingsmaterialen en de vervorming en zwelling van de batterij zijn de belangrijkste factoren die de thermische overstroming van lithium-ionbatterijen veroorzaken. Wang et al. analyseerde het thermische voortplantingspad en het gasoverstroompad bij hoge temperatuur van overladen lithiumbatterijen, en ontdekte dat de warmte die werd gegenereerd door de reactie tussen lithiumafzetting en elektrolyt tijdens het overladen van de batterij meer dan 43% voor zijn rekening nam. Zhang et al. bestudeerde het degradatiemechanisme van de capaciteit van het batterijpakket op basis van het incrementele capaciteitsverschilspanning en ontdekte dat een enkele overlading weinig effect had op de batterijcapaciteit, maar na overladen totdat het actieve materiaal van de positieve elektrode delithieerde, zou dit de thermische stabiliteit van het batterijpakket ernstig beïnvloeden.
De schade veroorzaakt door overmatige ontlading is veel kleiner. Het is moeilijk om voortijdig overmatig ontladen een thermische overstroming van de batterij te veroorzaken, maar het kan de capaciteit van de batterij beïnvloeden. Zhou Ping et al. bestudeerde de ontladingskarakteristieken van nikkel-kobalt-mangaan NCM ternaire lithiumbatterijen na overmatige ontlading. Tijdens het statische ontladingsproces neemt de mate van kortsluiting in de NCM-lithiumbatterij af, neemt de weerstand toe en neemt de ontlaadstroom af. Experimenten hebben aangetoond dat hoe groter de ontladingsdiepte, hoe groter de mate van verzwakking van de individuele cellen in het batterijpakket. Ma et al. gevonden in het overontladingsexperiment van lithiumbatterijen dat overmatige ontlading de structuur van de actieve materialen van de batterij niet verandert, maar het oplossen van de stroomcollector van de negatieve elektrode kan veroorzaken, de dikte van de SEI-film kan vergroten en de veroudering van de batterij kan versnellen. De gedragskenmerken van de lithium-ionbatterij tijdens het ontladingsproces worden weergegeven in de figuur.
(2) Externe kortsluiting
Externe kortsluitingen zijn ook een belangrijke oorzaak van thermische overstroming in stroombatterijen. Chen et al. ontwikkelde een nieuw elektrisch thermisch koppelingsmodel gebaseerd op de combinatie van modellen voor warmteopwekking, -distributie en -voortplanting. Uit onderzoek is gebleken dat de piektemperatuur van lithium-ionbatterijen bij externe kortsluiting zich aan de rand van het elektrodeoor bevindt. Ma Taixiao et al. ontdekte dat in de externe kortsluitingstoestand van stroombatterijen de warmte die wordt gegenereerd door nevenreacties veel kleiner is dan de warmte die wordt gegenereerd door elektrochemie, en dat de warmte die wordt gegenereerd door elektrochemie positief gecorreleerd is met de initiële SOC, maar negatief gecorreleerd met de temperatuurpiek thermische spanning.
(3) Interne kortsluiting
Interne kortsluiting, die optreedt in de batterij en moeilijk te detecteren is door het BMS-systeem, is de belangrijkste oorzaak van thermische overstroming bij lithium-ionbatterijen. Wanneer de batterij overladen of te veel wordt ontladen, groeien lithiumdendrieten geleidelijk de SEI-film binnen, waardoor interne kortsluiting ontstaat en snel leidt tot oncontroleerbare temperatuurstijging en thermische uitschakeling. Bovendien kunnen roosterschade of stroomcollectorbramen veroorzaakt door ruwe productieprocessen van batterijen ook tot interne kortsluitingen leiden.
2.3 Onderzoek naar thermische overstroming van batterijen veroorzaakt door mechanisch misbruik
Bij de toepassing van accu's voor auto's worden mechanische storingen onvermijdelijk veroorzaakt door ongelukken. Als het batterijpakket wordt vervormd door externe krachten zoals lekke banden en compressie, kan dit interne structurele veranderingen veroorzaken en zelfs leiden tot thermische overstroming als gevolg van direct contact tussen de positieve en negatieve polen onder extreme spanning. Daarom is het noodzakelijk om onderzoek te doen naar thermische runaway van batterijen veroorzaakt door mechanisch misbruik, waaronder Fan Wenjie en Xu Huiyong onderzoek hebben gedaan naar thermische runaway veroorzaakt door mechanisch misbruik op basis van eindige-elementenmodellering en numerieke monitoringanalyse.
Wang et al. heeft een onderzoek uitgevoerd naar de dwarsdoorsnedeveranderingen van het batterijpakket na een botsing op basis van lithium-ionbatterijen met softpack. Uit het lekexperiment bleek dat er tijdens het lekproces een groot aantal lokale vervormingen en schuifbreuklagen in het batterijpakket verschenen, evenals het scheuren van de stroomcollector en het actieve materiaal van de positieve elektrode, evenals de herschikking van de interne structuur van de batterij. pack, veroorzaakt door het lek raken van de separator, waren de fundamentele redenen voor de thermische kortsluiting in de batterij. Lam et al. bestudeerde de vervormingstoestand van 18650 cilindrische lithium-ionbatterijen onder lekomstandigheden op basis van computertomografietechnologie. Uit het experiment bleek dat het infiltratiefenomeen tussen de positieve en negatieve elektroden het optreden van interne kortsluitingen verergert. Tijdens de kortsluiting smelt het aangehechte aluminiumfolie, waardoor ter plaatse van de lekscheur een groot aantal metalen kralen ontstaat. Li et al. heeft eindige-elementenanalysemodellen opgesteld voor verschillende vormen van mechanisch misbruik op basis van lekke banden, compressie, enz., en heeft een leeralgoritme ontwikkeld voor het voorspellen van het thermische runaway-proces van batterijen met behulp van parameters van afgedankte batterijen. De impact van mechanisch misbruik op de veiligheid van lithium-ionbatterijen werd geanalyseerd op basis van acht soorten parameters, waaronder impactkracht, botshoek en vervormingsbereik, waardoor de rekencomplexiteit aanzienlijk werd verminderd.
Het mechanische misbruik dat zich in praktische toepassingen voordoet, is complexer dan afzonderlijke experimenten zoals lekrijden en compressie. Door uitsluitend te vertrouwen op experimentele simulatie kunnen de veiligheidskenmerken van mechanisch misbruik van batterijen niet diepgaand worden bestudeerd. De fundamentele oplossing is het optimaliseren van de installatiepositie van de accu, het opzetten van een betrouwbaar GBS-systeem en het optimaliseren van het ontwerp van het voertuigframe tijdens het ontwerpen van het accupakket, om vervorming en compressie van het accupakket bij een botsing te minimaliseren. .
3. Preventieve maatregelen en methoden voor het oververhitten van lithium-ionbatterijen
Met als doel het blokkeren, vertragen en voorkomen van thermische overstroming van stroombatterijen hebben veel wetenschappers onderzoek gedaan naar het thermisch beheer van batterijpakketten, het ontwerp van de structuur van batterijpakketten met hoge sterkte en andere aspecten.
3.1 Veiligheidsontwerp van individuele batterijen
(1) Onderzoek naar de veiligheid van membraanontwerp
De kern van het verbeteren van de veiligheid van het diafragma ligt in het verhogen van de temperatuur waarbij het diafragma samentrekt en smelt, waardoor het isolatievermogen bij hoge temperaturen wordt vergroot. Het isolatievermogen van het diafragma bij hoge temperaturen zorgt ervoor dat de microporiën worden afgedicht in een omgeving met hoge temperaturen, waardoor de stroom lithiumionen wordt geblokkeerd. De veelgebruikte membraanmaterialen zijn over het algemeen bedekt met keramische coatings of andere materialen met gesloten celeffecten.
(2) Onderzoek naar de veiligheid van positieve elektrodematerialen
De meest voorkomende actieve materialen voor lithium-ion-positieve elektrodes die op de markt voor krachtige batterijen worden gebruikt, zijn over het algemeen LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM), enz. Het gebruik van materialen om de positieve elektrode te bedekken om thermische weggelopen nevenreacties te blokkeren en te verlichten, verbetert het fietsen van de batterij en thermische stabiliteit, zoals ZrO2 en AlF3. Zhang et al. ontwikkelde een gelaagd ternair NCM-materiaal gebaseerd op gradiëntverdeling van atomaire concentratie, met Ni als kern en Mn die de buitenste laag van de bevestigde deeltjes bedekt. Tests hebben aangetoond dat het een goede cyclus- en thermische stabiliteit kan behouden, zelfs onder meerdere omstandigheden met hoge temperaturen en overbelasting.
(3) Onderzoek naar de veiligheid van negatieve elektrodematerialen
De verbetering van de veiligheid van de negatieve elektrode wordt voornamelijk bereikt door materiaalcoating of het toevoegen van additieven aan de elektrolyt om de thermische stabiliteit van de SEI-film te verbeteren. Xu et al. vloeibare legering GaSnIn aan de elektrolyt toegevoegd om de thermische stabiliteit van de batterij te verbeteren. Het experiment laat zien dat de geprepareerde SEI-gradiëntlaag de spanningspolarisatie aanzienlijk vermindert en de Coulomb-efficiëntie verbetert tot 99,06%. Zheng et al. bereidde een ultradun aramide nanovezel (ANF) membraan voor om de groei van lithiumdenriet te onderdrukken. In de experimentele test, onder een omgeving met hoge stroomdichtheid van 50 mA/cm2, is de capaciteit van de ANF-Li|LiFePO4 volle batterij daalde tot 80,2% na 1200 cycli. En voor de eerste keer ontdekte het onderzoek vezelachtige lithiumafzetting, en het ANF-membraan, bereid met poriën op nanoschaal, bevorderde de diffusie van elektrolyten, versnelde de lithiumtransportefficiëntie en elimineerde de nadelen van lithiumdendrieten van micrometerformaat die het membraan penetreerden.
(4) Onderzoek naar de veiligheid van elektrolyten
Bij de meeste ongevallen met thermische runaway is elektrolyt betrokken, en het verbeteren van de veiligheid van elektrolyten om thermische runaway te voorkomen is van cruciaal belang. Vlamvertragers, vaste polymeerstoffen of ionische vloeistoffen worden vaak aan de elektrolyt toegevoegd als additieven tegen overbelasting. Gefluoreerd ethyleencarbonaat (FEC) is het meest voorkomende elektrolytadditief, dat het voordeel heeft dat het de Coulomb-efficiëntie van omkeerbare lithiumverwijdering in de negatieve elektrode verbetert door de SEI-filmsamenstelling te veranderen. Li et al. ontwierp een dubbellaagse kristallijne en polymere vaste elektrolyt-interfase-SEI-film met behulp van lithiumdifluorboraat (LiDFOB) als het belangrijkste zout in een gemengde fosfaatelektrolyt. Het vlamvertragende experiment toonde aan dat de zelfdovende tijd van de vlamvertragende elektrolyt 6,1 seconden bedroeg en dat de omkeerbare efficiëntie van Li 98,2% bedroeg. Na 150 ontladingscycli behield hij nog steeds 89,7% van de batterijcapaciteit.
3.2 Veiligheidsbescherming en optimalisatieontwerp van een krachtig batterijsysteem
(1) Optimalisatieontwerp van de structuur van het batterijpakket
Het ontwerp van de structuur van het batterijpakket en de optimalisatie van de installatiepositie van het voertuig zijn cruciaal voor het verbeteren van de veiligheid. Chen et al. voerde een classificatie-experiment uit over de impact van het thermische overloopbereik op basis van de batterij-indeling van 18650. Uit het experiment blijkt dat de ontstekingstijd korter is en dat de verspreidingssnelheid en het bereik groter zijn in gebieden met grotere verwarmingsoppervlakken. Maar het experiment hield alleen rekening met de algehele verwarming van de batterijmodule en hield geen rekening met de lokale oververhitting veroorzaakt door interne kortsluiting. Liu Zhenjun et al. optimaliseerde het ontwerp van het batterijpakket op basis van een driedimensionaal warmtedissipatiemodel van het krachtige batterijpakket en voerde een warmtedissipatiesimulatie uit. Het experiment toonde aan dat de piektemperatuur van de geoptimaliseerde lithium-ionbatterij daalde van 46 graden naar 34 graden, en dat het temperatuurverschil tussen individuele cellen binnen 5 graden werd geregeld.
(2) Ontwerp van een thermisch beheersysteem voor de batterij
Lithium-ionbatterijen hebben een sterke thermische gevoeligheid, en het verbeteren van de ontladingsefficiëntie bij lage temperaturen en de veiligheid bij hoge temperaturen vormen de kern van thermische beheersystemen voor batterijen. De koelmethoden voor batterijpakketten omvatten vloeistofkoeling en luchtkoeling. De elektrische voertuigen van Tesla maken allemaal gebruik van vloeistofkoelingstechnologie, terwijl elektrische bussen over het algemeen luchtkoeling gebruiken. De afgelopen jaren zijn faseveranderingsmaterialen en hybride materialen, zoals aerogels, gebruikt in thermische beheersystemen van batterijen vanwege hun uitstekende warmteabsorptie-efficiëntie. Wu et al. hebben een flexibel materiaal ontwikkeld voor het thermische beheersysteem van batterijen op basis van hydrogel. Er wordt gebruik gemaakt van goedkoop natriumpolyacrylaatmateriaal. De extreem sterke plasticiteit kan in verschillende vormen worden gemaakt en in het batterijpakket worden gestapeld, waardoor op economische wijze het warmtedissipatie-effect van traditionele luchtkoeling en vloeistofkoeling kan worden gerealiseerd.
(3) Ontwerp van koeling, blussing, blokkering en gasgeleiding voor thermische overstroming van de batterij
Wanneer thermische overstroming van de batterij onvermijdelijk is, is het bijzonder belangrijk om de warmteverspreiding onmiddellijk te blokkeren en af te koelen en gassen met een hoge temperatuur te geleiden om te voorkomen dat batterijen die in de buurt zijn geïnstalleerd, worden aangetast.
De belangrijkste manieren om de verspreiding van thermische op hol geslagen batterijen te blokkeren zijn onder meer: het vullen met vlamvertragende media, het gebruik van isolatiematerialen om thermische op hol geslagen batterijen te isoleren, of het via trajecten uit het batterijpakket leiden van vlammen en gassen met een hoge temperatuur. Xu et al. heeft een gaswarmtedissipatiebuis voor hoge temperaturen ontwikkeld met een rechthoekige dwarsdoorsnede, aangebracht langs de batterij, zoals weergegeven in figuur 5. Hoewel deze het optreden van thermische runaway in individuele batterijen niet kan voorkomen, kan deze op effectieve wijze de verspreiding van lokale thermische runaway in de batterij voorkomen. batterijpakketten. Li Haoliang et al. ontwierp een systeem voor het blokkeren van thermische verspreiding en een geïntegreerd controlesysteem op basis van inerte gassen en gemengde koelmiddelen. Op basis van het warmteverspreidingsdiagram en de verwarmingsversnelling wordt een drempelwaarde voor het blokkeersysteem ingesteld. Uit het experiment blijkt dat het de warmtevoortplanting effectief kan blokkeren als het accupakket plaatselijk oververhit raakt.
4. Conclusie
Het artikel vat de literatuur samen over het triggermechanisme, de oorzaken en het veiligheidsmonitoringbeheer van thermische runaway in lithium-ionbatterijen.
(1) In het onderzoek naar het thermische runaway-mechanisme werden de thermische stabiliteit en de wet op de warmteafgifte van de belangrijkste componenten van lithium-ionbatterijen geanalyseerd, en werden de principes van reactiewarmteafgifteprocessen zoals de ontleding van elektrolyten, separator, actieve materialen in batterijen en lijmen werden voornamelijk uitgelegd.
(2) In het onderzoek naar uitlokkende factoren van thermische overstroming zijn de kenmerken en redenen van verschillende uitlokkende omstandigheden geclassificeerd en samengevat, namelijk mechanisch misbruik, elektrisch misbruik en thermische overstroming door batterijen veroorzaakt door thermisch misbruik.
(3) In termen van het voorkomen en monitoren van thermische runaway wordt in dit artikel dieper ingegaan op het onderzoek om de veiligheid van thermische runaway van lithium-ion-energiebatterijen te verbeteren vanuit drie aspecten: optimalisatie van het ontwerp van lithium-ion-batterijcellen, optimalisatie van power-batterijsystemen, en batterij thermisch beheer en monitoring waarschuwingssystemen.
Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt bij het onderzoek naar thermische runaway in lithium-ionbatterijen, zijn er nog steeds hiaten in sommige onderzoeksgebieden. Het onderzoek naar de impact van veroudering op de veiligheid, veroorzaakt door de superpositie van cyclustijden op lithium-ionbatterijen, is pas de afgelopen jaren begonnen, vooral de experimentele studie van het verouderingspad en het mechanisme op thermische stabiliteit is nog steeds relatief schaars. Tegelijkertijd zijn er slechts enkele experimentele onderzoeken naar het voorspellen en modelleren van vlamvoortplanting nadat thermische runaway heeft plaatsgevonden, en er is nog steeds een gebrek aan numerieke simulatieanalyse van vlamvoortplanting. Het is duidelijk dat het veiligheidsbeheer van thermische runaway in lithium-ionbatterijen zich nog in de ontwikkelingsfase bevindt, vooral in de richting van waarschuwing en blokkering, waarvoor verder onderzoek nodig is.