Lityum-ion batareyalarni qo'llash va xavfsizlik masalalari:Lityum-ionli batareyalar yuqori energiya zichligi, yuqori chiqish quvvati va yuqori o'rtacha chiqish kuchlanishi tufayli keng qo'llaniladi. Biroq, batareyaning ishlamay qolishi natijasida sodir bo'lgan baxtsiz hodisalar har yili sodir bo'ladi va kamdan-kam odamlar xavfsizlik xavflarini faol tushunadilar. Shuning uchun lityum batareyalarning xavfsizlik xavfini aniqlash va kamaytirish juda muhimdir.
Maqolaning asosiy mazmuni:Birinchidan, termal qochib ketish hodisasi tahlil qilinadi va turli monitoring tizimlari muhokama qilinadi. Keyinchalik, batareya ma'lumotlarini real vaqt rejimida aniqlashda tolali Bragg panjara sensorlarini (FBG) qo'llash ta'kidlanadi. Nihoyat, lityum batareyalarda xavfsizlik muammolarini kamaytirish usullari, jumladan, elektrod sirt qoplamalari, elektrolitlar, ajratgichlardan foydalanish va lityum dendrit o'sishini bostirish usullari umumlashtiriladi. Ushbu tarkib lityum batareyalar xavfsizligi bo'yicha kelajakdagi tadqiqotlar uchun mos yozuvlar qiymatiga ega.
1. Kirish
Lityum-ion batareyalarni qo'llash va xavfsizlik masalalari ta'kidlangan:qayta tiklanadigan energiyani rivojlantirish zamonning tendentsiyasi bo'lib, batareyalar kundalik hayotda hamma joyda mavjud. Lityum-ionli batareyalar keng qo'llaniladi va yangi energiya sohalarini rivojlantirish uchun juda muhimdir. Biroq, so'nggi yillarda ularning haddan tashqari qizib ketish muammosi elektr transport vositalarining rivojlanishiga ta'sir ko'rsatdi va batareyalar xavfsizligi tashvishga solmoqda.
Maqolaning tadqiqot yo‘nalishi va maqsadi:Olimlar litiy-ionli batareyalar xavfsizligini yaxshilash uchun turli texnologiyalardan foydalanadilar. Hozirgi vaqtda batareyaning termal qochib ketishini bashorat qilish va ogohlantirish usullari bo'yicha xavfsizlik monitoringi tadqiqotlari mashhur yo'nalish hisoblanadi. Maqola tegishli ilg'or usullarni umumlashtirish va tadqiqotning so'nggi yutuqlari bilan tanishtirishga qaratilgan.
2. Xavfsizlik omillarini takomillashtirishning hozirgi usullari
Xavfsizlik hodisasi sababi:Lityum batareyalar noto'g'ri ishlatilganda (masalan, haddan tashqari zaryadlash, qizib ketish, zarba, qisqa tutashuv) harorat g'ayritabiiy ravishda ko'tarilib, ichki kimyoviy reaktsiyalarni keltirib chiqaradi va gaz va tutun hosil qiladi. Xavfsizlik valfi ochiladi va issiqlik haroratni yanada oshiradi, bu yonish yoki portlashga olib kelishi mumkin.
Xavfsizlikni oshirish usullari:asosan xavfsizlik baxtsiz hodisalarini kuzatish va oldini olish, batareya tuzilmalarini yangilash yoki muammoli komponentlarni almashtirishni o'z ichiga oladi.
Lityum-ionli batareyalarning xavfsizligini yaxshilashning o'ziga xos usullari
Termal oqimning oldini olish
Termal qochish printsipi:Batareya ichidagi materiallarning ekzotermik reaktsiyasi batareyaning tez isishi va kimyoviy energiya chiqarishiga olib keladi. Strukturaviy deformatsiya, qisqa tutashuv, haddan tashqari zaryadlash, komponentlarning qarishi, sovutish tizimining ishlamay qolishi va boshqalar kabi bir nechta omillar haddan tashqari qizib ketishga olib kelishi mumkin. Batareyalarning yuqori energiya zichligi va yonuvchi elektrolitlardan foydalanish termal qochib ketish xavfini oshiradi.
Sovutish tizimi:Olimlar havo sovutish va suyuqlik sovutish tizimlarini o'z ichiga olgan akkumulyatorlarning issiqlik boshqaruv tizimlarini (BTMS) ishlab chiqdilar, ammo ikkalasida ham kamchiliklar mavjud. Gibrid sovutish tizimi ikkalasining afzalliklarini birlashtiradi va batareyaning issiqlik tarqalishini yaxshiroq tartibga solishi va boshqarishi mumkin va muayyan tanlov vaziyatga qarab aniqlanishi kerak.
| Sovutish tizimlari | Afzalliklar | Kamchiliklari |
|
Havo sovutilgan BTMS |
Tuzilishi jihatidan engil Rivojlanishda past narx va texnik xizmat ko'rsatish. |
1. Past issiqlik o'tkazuvchanligi va zaiflik termal erish. 2. Elektr transport vositalarida foydalanish qiyin. |
|
Suyuq sovutilgan BTMS |
Yuqori issiqlik sig'imlari va termal o'tkazuvchanlik. |
1. Suyuqlikning oqib ketishiga moyil 2. Murakkab tuzilish tufayli tizimni takomillashtirish qiyin |
| Gibrid BTMS | Yaxshiroq sovutish samaradorligi | 1. Ko'proq komponentlar va murakkablik |
Fiber Bragg panjara sensori (FBG)
Monitoring printsipi:Haqiqiy vaqtda batareyaning bir nechta alomatlarini kuzatish orqali xavfsizlik xavfini oldini oling. Zamonaviy usullar ko'pincha issiqlik oqimini kuzatish yoki elektrod yorilishini aniqlash orqali batareyaning holatini bilvosita aks ettiradi, FBG sensorlari esa batareyaning ichidagi va tashqarisidagi harorat va kuchlanish reaktsiyasini to'g'ridan-to'g'ri yoki bilvosita o'lchashi va optik tolalar va optik tolalar tomonidan olib boriladigan yorug'lik o'rtasidagi o'zaro ta'sir orqali elektrolitlar degradatsiyasini o'rganishi mumkin. atrofdagi kimyoviy muhit.
Afzalliklari:FBG sensorlari minimal invaziv, elektromagnit parazitlarga qarshi va izolyatsiyalash xususiyatlariga ega. Ular hali ham yuqori harorat va yuqori bosim ostida ma'lumotlarni aniq ta'minlashi mumkin. Ko'rsatkichlar kritik qiymatga yetganda, batareyaning ishlashi o'z vaqtida sozlanishi yoki to'xtatilishi mumkin, bu batareyadan foydalanish xavfsizligini oshiradi.
|
Harorat Monitoring |
Tashqi harorat monitoringi: FBG sensori to'g'ridan-to'g'ri batareyaning yuzasiga biriktirilgan (u shaklda bo'lishi mumkin). tanga yoki silindr) real vaqtda haroratni aniqlashga erishish uchun. |
|
Ichki harorat monitoringi: ichki haroratni aniqlash uchun to'g'ridan-to'g'ri batareyaga joylashtiriladi. |
|
| Kuchlanish monitoringi |
Tashqi kuchlanish monitoringi: FBG harorat o'zgarishi kabi omillar tufayli yuzaga keladigan tashqi kuchlanishni kuzatib boradi, mexanik siqilish yoki ta'sirlar. |
|
Ichki kuchlanish monitoringi: FBG foydalanish paytida yoki zaryadlash va zaryadsizlanish vaqtida batareya ichidagi kuchlanishni nazorat qiladi. |
|
| Harorat va kuchlanishni bir vaqtda kuzatish | |
Batareyani barqarorlashtirish uchun batareya ajratgichni yaxshilang
Separatorning roli va dizayn muammolari:Separator - bu akkumulyatordagi jismoniy to'siq bo'lib, u ijobiy va salbiy elektrodlar o'rtasidagi to'g'ridan-to'g'ri aloqani oldini oladi va ion harakatini ta'minlash uchun elektrolitlarni joylashtiradi. Dizayn mexanik chidamlilik va g'ovaklik yoki transport ko'rsatkichlarini muvozanatlashi kerak, bu uni keng ko'lamli akkumulyator tizimlarida ishlatish uchun qiyinchilik tug'diradi.
Yaxshilash usuli:Hozirgi tadqiqot asosan organik/noorganik birikmalarni qoplash yoki payvandlash va sirtni issiqlikka chidamli birikmalar bilan davolash kabi tijorat poliolefin (PP) membranalarini yaxshilashga qaratilgan. Elektrospinning texnologiyasi termal barqarorlikni oshirishi mumkin bo'lgan nanofiber membranalarni ishlab chiqarish uchun ham ishlatilishi mumkin. Hidrofilik materiallarni qo'shish ish faoliyatini yaxshilashi va lityum dendrit o'sishini inhibe qilishi mumkin.
Yonmaydigan polimer elektrolitlari
An'anaviy elektrolitlar muammolari va takomillashtirish yo'nalishlari:An'anaviy elektrolitlar ekstremal sharoitlarda termal qochib ketishi mumkin, bu oksidlanishga, elektrod materiallarini aralashtirishga va hatto portlashga olib keladi. Yaxshilash elektrolitlar va elektrodlarning fizik-kimyoviy xususiyatlarini va barqarorligini har tomonlama hisobga olishni talab qiladi. Qattiq polimer elektrolitlari (SPEs) kelajakdagi tendentsiya bo'lib, hech qanday qochqin, yuqori mexanik kuch va barqarorlikka ega bo'lib, elektrod materiallarining hajmi o'zgarishini kamaytirishi mumkin.
| SPE turlari | Xususiyatlari |
| Polietilen oksidi SPE |
1. Yuqori o'tkazuvchanlik 2. Sozlanishi mumkin bo'lgan o'lcham 3. Kamroq xarajat 4. Ajoyib elektrokimyoviy xossalari |
| Polisiloksan SPElar |
1. Yaxshiroq termal barqarorlik 2. Yonuvchanlik 3. Yuqori dielektrik konstantalar |
SPE larning xususiyatlari va otashga chidamliligi:Turli xil SPElar turli xil afzalliklarga ega, masalan, polietilen oksidi SPE ning yuqori o'tkazuvchanligi va sozlanishi o'lchami; Polisiloksan SPE yaxshi termal barqarorlikka ega va yonmaydi. Ko'pgina SPElar olovni to'xtatuvchi moddalarni qo'shishni talab qiladi va noorganik olovni to'xtatuvchilar xavfsizroq va arzonroqdir, bu SPElarning ish faoliyatini yaxshilashi va lityum dendrit o'sishini inhibe qilishi mumkin. Biroq, SPE tadqiqotlari nisbatan yangi va ularning qo'llanilishi cheklangan va tijorat elektrolitlarini almashtirib bo'lmaydi.
| Olovga chidamli | Xususiyatlari |
| Olovga qarshi halogen |
1. Ultra yengil, o‘ta yupqa 2. Yonish qiyin 3. Yaratilgan erkin radikallar pirolizni yumshatadi 4. Mahsulot yonuvchi gazlar va kislorod kontsentratsiyasini suyultiradi |
| Organofosforli olovni to'xtatuvchi moddalar |
1. Yaxshiroq yong'in xavfsizligi 2. Batareyalarning aylanish barqarorligi yaxshilandi 3. Litiy dendritlarning o'sishi to'xtatildi 4. Parchalanish mahsulotlari yonuvchan erkin radikallar bilan birlashishi mumkin |
|
Fosforga asoslangan noorganik olov Retardantlar |
1. Past toksiklik 2. Past narx 3. Metall lityum yuzasida zaryadni bir xil qilish mumkin 4. Lityum dendritlarni oldini olish. |
| Noorganik nano-to'ldiruvchi olovga chidamli |
1. Lityum ionlarining harakatini osonlashtirish va ionni kuchaytirish o'tkazuvchanlik. 2. Lityum dendritlarning o'sishidan saqlaning 3. Termal tarqalishni inhibe qilish qobiliyati 4. Yaxshilangan termal barqarorlik |
Lityum dendrit o'sishini inhibe qilish
Litiy dendritlarning paydo bo'lishi va xavfi:Lityum dendritlar musbat va salbiy elektrodlarning ko'chishi jarayonida lityum ionlarining notekis cho'kishi natijasida yuzaga keladi, bu elektrod kengayishiga, Kulomb samaradorligining pasayishiga, batareya quvvatining pasayishiga va xavfsizlik ko'rsatkichlarining yomonlashishiga olib kelishi mumkin, natijada batareyaning ishdan chiqishiga olib keladi.
Inhibisyon usuli:Ikki yo'nalishda inhibe qiling: elektrolitlar va lityum metall salbiy elektrod. Elektrolitlarga qo'shimchalar qo'shilishi lityum polisulfidlar va lityum nitrat kabi qattiq elektrolitlar interfeysi (SEI) qatlamining funksionalligini oshirishi mumkin, bu lityum dendritlarning shakllanishini samarali ravishda inhibe qilishi mumkin; Elektrodlar nuqtai nazaridan, uch o'lchovli lityum salbiy elektrodlar grafen kompozit elektrodlari kabi salbiy elektrodlarning hajmini o'zgartirishi mumkin. Lityum dendrit o'sishini samarali ravishda inhibe qila oladigan ba'zi yangi SEI qatlamlari ham mavjud.
Yuzaki qoplama elektrod usuli
Sirt qoplamasining roli va qo'llanilishi:Yuzaki qoplama katodlarni himoya qilish va katod materiallarining termal barqarorligini yaxshilash uchun asosiy texnologiya bo'lib, faza o'tishini bostirishi va materialning o'tkazuvchanligini oshirishi mumkin. Nikel kobalt marganets uchlik (NMC) katod materiallarida sirt qoplama texnologiyasidan foydalanish mikroyapı, elektrokimyoviy ko'rsatkichlar, issiqlik o'tkazuvchanligi, ion diffuziya koeffitsienti va termal barqarorlikni yaxshilash, ichki strukturaviy zararni kamaytirish, velosiped barqarorligini oshirish va metall ionlarini yuvishning oldini oladi.
Maxsus usullar va ta'sirlar:Agar xona haroratida ma'lum materiallarni qoplash uchun "qoplama+perfuzion" sintetik usuli qo'llanilsa yoki past haroratda katod yuzasida bir xil qoplama yaratish uchun sol jel texnologiyasi qo'llanilsa, tsiklning barqarorligini sezilarli darajada yaxshilash mumkin.
| Aspekt(lar) | Qoplashdan keyin yaxshilanish |
| Mikroskopik morfologiyasi va tuzilishi |
1. Musbat elektrodda yanada ixcham sirt tuzilishi va tartiblangan panjara tuzilishi 2. Barqarorlikning oshishi. |
| Elektrokimyoviy ishlash tavsifi |
1. Tsikl barqarorligi sezilarli darajada yaxshilandi 2. Materiallar multiplikatori ortdi 3. Materialning qarshiligi kamaydi 4. Elektronlarni tashish ko'rsatkichlari yaxshilandi |
|
Issiqlik o'tkazuvchanligi, ion diffuziya koeffitsienti va termal barqarorlik |
1. Sof materiallarning issiqlik uzatish ko'rsatkichlari yaxshilandi 2. Batareyani sovutish va termal xavfsizlik ko'rsatkichlari yaxshilandi 3. lon diffuziya ishlashi yaxshilandi |
3. Xulosa
Usul tasnifi:Lityum-ion batareyalarning xavfsizligini yaxshilash usullarini taxminan ikki toifaga bo'lish mumkin: biri xavfsizlik avariyalarining oldini olish uchun erta ogohlantirish tizimi sifatida real vaqt rejimida batareya parametrlarini kuzatish, ikkinchisi - ichki materiallarni yoki strukturasini yaxshilash. batareya.
Maxsus choralar va ta'sirlar
Birinchi toifada batareyaning termal boshqaruv tizimlari (BTMS) termal qochib ketishining oldini olishi mumkin va gibrid BTMS eng yaxshi sovutish effektiga ega, ammo struktura murakkab va xarajat yuqori. Fiber Bragg Grating (FBG) datchiklari real vaqtda batareya harorati, kuchlanish va bosimini kuzatishi va haddan tashqari qizib ketish yoki g'ayritabiiy holatlarni tezda aniqlashi mumkin.
Ikkinchi toifada tadqiqotchilar separatorlarni, elektrolitlarni yaxshilash, lityum dendrit o'sishini inhibe qilish va katod yuzasini davolash orqali lityum-ion batareyalar xavfsizligini yaxshiladilar.