Liitium-ioonakude rakendus- ja ohutusprobleemid:Liitiumioonakusid kasutatakse laialdaselt nende suure energiatiheduse, suure väljundvõimsuse ja kõrge keskmise väljundpinge tõttu. Aku riketest põhjustatud õnnetusi juhtub aga igal aastal ja vähesed inimesed mõistavad aktiivselt ohutusriske. Seetõttu on liitiumakude ohutusriskide tuvastamine ja leevendamine ülioluline.
Artikli põhisisu:Esiteks analüüsitakse termilise jooksmise fenomeni ja käsitletakse erinevaid seiresüsteeme. Seejärel rõhutatakse fiiber-Braggi võreandurite (FBG) rakendamist akuandmete reaalajas tuvastamisel. Lõpuks võetakse kokku liitiumakude ohutusprobleemide vähendamise meetodid, sealhulgas elektroodide pinnakatete, elektrolüütide, separaatorite kasutamine ja liitiumdendriidi kasvu pärssimine. Sellel sisul on võrdlusväärtus liitiumaku ohutuse tulevaste uuringute jaoks.
1. Sissejuhatus
Liitium-ioonakude rakendus- ja ohutusprobleemid on esile tõstetud:taastuvenergia arendamine on aegade trend ja patareid on igapäevaelus kõikjal. Liitiumioonakusid kasutatakse laialdaselt ja need on uute energiavaldkondade arendamiseks üliolulised. Viimastel aastatel on aga nende ülekuumenemisprobleem mõjutanud elektrisõidukite arengut ning muret on tekitanud akude ohutus.
Uurimissuund ja artikli eesmärk:Teadlased kasutavad liitiumioonakude ohutuse parandamiseks erinevaid tehnoloogiaid. Praegu on populaarne suund aku termilise põgenemise ennustamise ja hoiatusmeetodite ohutusseire uuringud. Artikli eesmärk on teha kokkuvõte asjakohastest täiustatud meetoditest ja tutvustada uusimaid teadustöö edusamme.
2. Praegused meetodid ohutustegurite parandamiseks
Ohutusõnnetuse põhjus:Kui liitiumakusid kasutatakse valesti (näiteks ülelaadimine, ülekuumenemine, löök, lühis), tõuseb temperatuur ebanormaalselt, põhjustades sisemisi keemilisi reaktsioone ning gaasi ja suitsu teket. Kaitseklapp avaneb ja kuumus tõstab temperatuuri veelgi, mis võib põhjustada põlemist või plahvatust.
Ohutuse parandamise viisid:hõlmavad peamiselt ohutusõnnetuste jälgimist ja vältimist, aku struktuuride uuendamist või probleemsete komponentide väljavahetamist.
Spetsiifilised meetodid liitium-ioonakude ohutuse parandamiseks
Vältida termilist põgenemist
Termilise põgenemise põhimõte:Aku sees olevate materjalide eksotermiline reaktsioon põhjustab aku kiire kuumenemise ja keemilise energia vabanemise. Ülekuumenemist võivad põhjustada mitmed tegurid, nagu konstruktsiooni deformatsioon, lühis, ülelaadimine, komponentide vananemine, jahutussüsteemi rike jne. Akude suur energiatihedus ja tuleohtlike elektrolüütide kasutamine suurendavad termilise äravoolu ohtu.
Jahutussüsteem:Teadlased on välja töötanud aku soojusjuhtimissüsteemid (BTMS), sealhulgas õhkjahutus- ja vedelikjahutussüsteemid, kuid mõlemal on oma puudused. Hübriidjahutussüsteem ühendab mõlema eelised ning suudab paremini reguleerida ja juhtida aku soojuse hajumist ning konkreetne valik tuleks määrata vastavalt olukorrale.
| Jahutussüsteemid | Eelised | Puudused |
|
Õhkjahutusega BTMS |
Kerge struktuuriga Madalad arenduskulud ja hooldus. |
1. Madal soojusjuhtivus ja haavatavus termiline sulamine. 2. Raske kasutada elektrisõidukites. |
|
Vedelik jahutatud BTMS |
Kõrge soojusvõimsus ja termiline juhtivused. |
1. Aldis vedeliku lekkimisele 2. Süsteemi on keeruline täiustada keeruka struktuuri tõttu |
| Hübriidne BTMS | Parem jahutuse efektiivsus | 1. Rohkem komponente ja keerukust |
Fiber Braggi resti andur (FBG)
Järelevalve põhimõte:Ohutusohtude ennetamine, jälgides reaalajas mitmeid aku sümptomeid. Kaasaegsed meetodid peegeldavad sageli aku olekut kaudselt, jälgides soojusvoogu või tuvastades elektroodide lõhenemist, samal ajal kui FBG andurid saavad otseselt või kaudselt mõõta temperatuuri ja pingereaktsiooni aku sees ja väljaspool ning uurida elektrolüütide lagunemist optiliste kiudude ja valguskiudude poolt edastatava valguse vastasmõju kaudu. ümbritsev keemiline keskkond.
Eelised:FBG anduritel on minimaalselt invasiivsed, elektromagnetiliste häirete vastased ja isolatsiooni omadused. Nad suudavad siiski täpselt esitada andmeid kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul. Kui indikaatorid jõuavad kriitilise väärtuseni, saab aku tööd õigeaegselt reguleerida või lõpetada, parandades aku kasutamise ohutust.
|
Temperatuur Järelevalve |
Välise temperatuuri jälgimine: FBG andur kinnitatakse otse aku pinnale (mis võib olla kujuga mündi või silindri jaoks), et saavutada temperatuuri reaalajas tuvastamine. |
|
Sisetemperatuuri jälgimine: on sisetemperatuuri tuvastamiseks implanteeritud otse akusse. |
|
| Tüve jälgimine |
Välise pinge jälgimine: FBG jälgib välist pinget, mis on põhjustatud sellistest teguritest nagu temperatuurimuutused, mehaaniline kokkusurumine või löök. |
|
Sisemise pinge jälgimine: FBG jälgib aku pinget kasutamise või laadimise ja tühjenemise ajal. |
|
| Temperatuuri ja pinge samaaegne jälgimine | |
Aku stabiliseerimiseks täiustage aku eraldajat
Eraldaja roll ja kujunduslikud väljakutsed:Eraldaja on aku füüsiline barjäär, mis takistab positiivse ja negatiivse elektroodi vahelist otsekontakti ning mahutab elektrolüüte, et soodustada ioonide liikumist. Disain peab tasakaalustama mehaanilist vastupidavust ja poorsust või transpordivõimet, muutes selle kasutamiseks suuremahulistes akusüsteemides väljakutseks.
Parandusmeetod:Praegused uuringud keskenduvad peamiselt kaubanduslike polüolefiinmembraanide (PP) täiustamisele, näiteks orgaaniliste/anorgaaniliste ühendite katmisele või pookimisele ning pinna töötlemisele kuumakindlate ühenditega. Elektroketrustehnoloogiat saab kasutada ka nanokiudmembraanide tootmiseks, mis võib suurendada termilist stabiilsust. Hüdrofiilsete materjalide lisamine võib parandada jõudlust ja pärssida liitiumdendriidi kasvu.
Mittesüttiv polümeerne elektrolüüt
Traditsioonilised elektrolüütide probleemid ja parendusjuhised:Traditsioonilised elektrolüüdid võivad ekstreemsetes tingimustes kogeda termilist põgenemist, mis põhjustab oksüdeerumist, elektroodide materjali segunemist ja isegi plahvatust. Parendamine nõuab elektrolüütide ja elektroodide füüsikaliste ja keemiliste omaduste ning stabiilsuse põhjalikku arvestamist. Tahked polümeersed elektrolüüdid (SPE) on tulevikutrend, millel puudub leke, kõrge mehaaniline tugevus ja stabiilsus, mis võib vähendada elektroodimaterjalide mahu muutust.
| SPE tüübid | Omadused |
| Polüetüleenoksiidi SPE-d |
1. Suurem juhtivus 2. Reguleeritav suurus 3. Madalam hind 4. Silmapaistvad elektrokeemilised omadused |
| Polüsiloksaan SPEd |
1. Parem termiline stabiilsus 2. Mittesüttivus 3. Kõrgemad dielektrilised konstandid |
SPE-de omadused ja leegiaeglustid:Erinevatel SPE-del on erinevad eelised, näiteks polüetüleenoksiidi SPE-de kõrge juhtivus ja reguleeritav suurus; Polüsiloksaan SPE-del on hea termiline stabiilsus ja need ei ole süttivad. Enamik SPE-sid nõuab leegiaeglustite lisamist ning anorgaanilised leegiaeglustid on ohutumad ja odavamad, mis võib parandada SPE-de jõudlust ja pärssida liitiumdendriidi kasvu. SPE-uuringud on siiski suhteliselt uued ja nende rakendused on piiratud ning kaubanduslikke elektrolüüte ei saa asendada.
| Leegiaeglustav | Omadused |
| Halogeen leegiaeglustaja |
1. Ülikerge, üliõhuke 2. Raskesti süttiv 3. Tekkinud vabad radikaalid leevendavad pürolüüsi 4. Toode lahjendab põlevate gaaside ja hapniku kontsentratsiooni |
| Fosfororgaanilised leegiaeglustid |
1. Parem tuleohutus 2. Patareide tsükli stabiilsust parandati 3. Liitiumdendriitide kasv oli pärsitud 4. Laguproduktid võivad ühineda põlevate vabade radikaalidega |
|
Anorgaaniline fosforipõhine leek Retardandid |
1. Madal toksilisus 2. Madal hind 3. võib muuta metalli liitiumi pinnal oleva laengu ühtlaseks 4. Vältida liitiumdendriite. |
| Anorgaaniline Nano-Filler leegiaeglustaja |
1. Hõlbustada liitiumioonide liikumist ja suurendada iooni juhtivus. 2. Väldi liitiumdendriitide kasvu 3. Võime pidurdada soojuslevi 4. Parem termiline stabiilsus |
Liitiumdendriidi kasvu pärssimine
Liitiumdendriitide teke ja ohud:Liitiumdendriidid on põhjustatud liitiumioonide ebaühtlasest sadestumisest positiivsete ja negatiivsete elektroodide migratsiooni ajal, mis võib viia elektroodi laienemiseni, kulonide efektiivsuse vähenemiseni, aku mahtuvuse vähenemiseni ja ohutusnäitajate halvenemiseni, mille tulemuseks on aku rike.
Inhibeerimismeetod:Inhibeerida kahest suunast: elektrolüüt ja liitiummetalli negatiivne elektrood. Lisandite lisamine elektrolüütidele võib suurendada tahke elektrolüüdi liidese (SEI) kihi funktsionaalsust, nagu liitiumpolüsulfiidid ja liitiumnitraat, mis võivad tõhusalt pärssida liitiumdendriitide moodustumist; Elektroodide vaatenurgast võivad kolmemõõtmelised liitium-negatiivsed elektroodid vähendada negatiivsete elektroodide, näiteks grafeenkomposiitelektroodide ruumala muutust. Samuti on mõned uued SEI kihid, mis võivad tõhusalt pärssida liitiumdendriidi kasvu.
Pinnakatte elektroodide meetod
Pinnakatte roll ja kasutusala:Pinnakate on peamine tehnoloogia katoodide kaitsmiseks ja katoodmaterjalide termilise stabiilsuse parandamiseks, mis võib faasisiirde alla suruda ja materjali juhtivust suurendada. Pinnakattetehnoloogia kasutamine nikkel-koobalt-mangaani kolmekomponentsete (NMC) katoodmaterjalide puhul võib parandada mikrostruktuuri, elektrokeemilist jõudlust, soojusjuhtivust, ioonide difusioonikoefitsienti ja termilist stabiilsust, vähendada sisemisi struktuurikahjustusi, suurendada tsükli stabiilsust ja vältida metalliioonide leostumist.
Spetsiifilised meetodid ja mõjud:Kui teatud materjalide katmiseks toatemperatuuril kasutatakse sünteetilist meetodit "katmine+perfusioon" või madalal temperatuuril katoodi pinnale ühtlase katte loomiseks soolgeeli tehnoloogiat, saab tsükli stabiilsust oluliselt parandada.
| Aspekt(id) | Paranemine pärast katmist |
| Mikroskoopiline morfoloogia ja struktuur |
1. Positiivse elektroodi kompaktsem pinnastruktuur ja tellitud võre struktuur 2. Suurenenud stabiilsus. |
| Elektrokeemilise jõudluse iseloomustus |
1. Oluliselt paranenud tsükli stabiilsus 2. Materjali kordaja suurenenud 3. Materjali vastupidavus vähenenud 4. Elektronide transpordi jõudlus paranes |
|
Soojusjuhtivus, ioonide difusioonikoefitsient ja termiline stabiilsus |
1. Puhaste materjalide soojusülekande jõudlus paranes 2. Aku jahutus ja soojusohutuse jõudlus on paranenud 3. paranenud difusiooni jõudlus |
3. Kokkuvõte
Meetodi klassifikatsioon:Liitium-ioonakude ohutuse parandamise meetodid võib laias laastus jagada kahte kategooriasse: üks on aku parameetrite reaalajas jälgimine varajase hoiatussüsteemina, et vältida ohutusõnnetusi, ja teine on aku sisemiste materjalide või struktuuri parandamine. aku.
Konkreetsed meetmed ja mõjud
Esimeses kategoorias võivad aku soojusjuhtimissüsteemid (BTMS) vältida termilist põgenemist ja hübriid-BTMS-il on parim jahutusefekt, kuid struktuur on keeruline ja hind on kõrge. Fiber Braggi resti (FBG) andurid saavad jälgida aku temperatuuri, pinget ja rõhku reaalajas ning tuvastada kiiresti ülekuumenemise või ebatavalised tingimused.
Teises kategoorias on teadlased parandanud liitium-ioonakude ohutust, parandades separaatoreid, elektrolüüte, inhibeerides liitiumdendriidi kasvu ja töödeldes katoodi pinda.