リチウム電池の安全性とソリューション
携帯電話、デジタル製品、電気自動車の普及に伴い、リチウムイオン電池は人々の生活においてますます重要な役割を果たしています&＃39; エネルギー密度の低さやサイクル寿命の制限などの使用上の問題は、しばしば批判されます。 しかし、これらの問題と比較して、リチウム電池の安全性が注目されています。
近年、バッテリーの安全性の問題による事故が多く、業界に衝撃を与えたボーイング787ドリームライナーのリチウム電池の火災事件や大規模な電池の火災・爆発事件など、多くの問題の結果が衝撃的です。サムスンギャラクシーノート7で。リチウムイオン電池の安全性が再び警鐘を鳴らしました。
リチウムイオン電池の組成と動作原理
リチウムイオン電池は、主に正極、負極、電解質、セパレーター、外部接続、パッケージング部品で構成されています。 その中で、正極と負極には、活性電極材料、導電剤、バインダーなどが含まれており、これらは銅箔とアルミ箔の集電体に均一にコーティングされています。
リチウムイオン電池の正極電位は比較的高く、多くの場合、リチウムが挿入された遷移金属酸化物、またはコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、三元、リン酸鉄リチウムなどのポリアニオン化合物。 リチウムイオン電池のマイナス材料は、通常、グラファイトや非黒鉛化炭素などの炭素材料です。 リチウムイオン電池電解質は主に非水溶液であり、有機混合溶媒とリチウム塩からなり、溶媒は主に炭酸などの有機溶媒であり、リチウム塩は主にヘキサフルオロリン酸リチウムなどの一価のポリアニオン性リチウム塩である。 リチウムイオン電池セパレーターは、ほとんどがポリエチレンとポリプロピレンのミクロポーラス膜で、正と負の材料を分離し、電子の通過による短絡を防ぎ、電解質中のイオンを通過させます。
充電プロセス中、バッテリー内部で、リチウムはイオンの形で正極から抽出され、電解質によってダイアフラムを介して輸送され、負極に埋め込まれます。 バッテリーの外側では、電子は外部回路から負極に移動します。 放電プロセスでは、バッテリー内のリチウムイオンが負極から抽出され、ダイヤフラムを通過して、正極に埋め込まれます。 バッテリーの外側では、電子は外部回路から正極に移動します。 充電と放電の場合、それは& quot;リチウムイオン& quot;です。 元素& quot;リチウム& quot;の代わりに電池間を移動するため、電池は& quot;リチウムイオン電池& quot;と呼ばれます。
第二に、リチウムイオン電池の安全上の問題
一般的に言って、リチウムイオン電池の安全性の問題は、燃焼または爆発でさえ現れます。 これらの問題の根本的な原因は、バッテリー内部の熱暴走です。 さらに、過充電、火災、圧搾、パンク、短絡などの外部要因もあります。その他の問題もセキュリティの問題につながる可能性があります。 リチウムイオン電池は、充電および放電中に熱を発生します。 発生した熱が電池の放熱能力を超えると、リチウムイオン電池が過熱し、電池材料がSEI膜を分解し、電解質分解、正極分解、負極、電解液の反応などの破壊的な副反応を起こします。負極とバインダーの反応。
1カソード材料の安全上の問題
リチウムイオン電池を不適切に使用すると、電池の内部温度が上昇し、正極材料の活物質が分解して電解液が酸化します。 同時に、これら2つの反応により大量の熱が発生し、バッテリーの温度がさらに上昇する可能性があります。 異なる脱リチウム化状態は、活物質の格子変態、分解温度、および電池の熱安定性に非常に異なる影響を及ぼします。
2アノード材料の安全上の問題
当初使用されていた負極材料は金属リチウムであり、組み立てた電池は充放電を繰り返すとリチウムデンドライトが発生しやすく、ダイヤフラムを貫通して電池が短絡、漏れ、さらには爆発する原因となりました。 リチウムインターカレーション化合物は、リチウムデンドライトの生成を効果的に回避し、リチウムイオン電池の安全性を大幅に向上させることができます。 温度が上昇すると、リチウムインターカレーション状態のカーボン負極が最初に電解液と発熱反応します。 同じ充電および放電条件下で、電解質とリチウムが挿入された人工黒鉛との間の反応の熱放出速度は、リチウムが挿入された中間相炭素ミクロスフェア、炭素繊維、コークスなどとの反応の熱放出速度よりもはるかに大きい。
3ダイヤフラムと電解液の安全上の問題
リチウムイオン電池の電解液は、リチウム塩と有機溶剤の混合液です。 市販のリチウム塩はヘキサフルオロリン酸リチウムです。 電解質の熱安定性。 電解質の有機溶媒は炭酸塩であり、沸点と引火点が低く、リチウム塩と反応しやすく、高温でPF5を放出しやすく、酸化しやすい。
4製造工程における隠れた安全上の問題
リチウムイオン電池の製造工程では、電極の製造や電池の組み立てなどの工程が電池の安全性に影響を与えます。 正極と負極の混合、コーティング、圧延、切断またはパンチング、組み立て、電解液の充填、シーリング、成形などのさまざまなプロセスの品質管理はすべて、バッテリーの性能と安全性に影響を与えます。 スラリーの均一性は、電極上の活物質分布の均一性を決定し、それによって電池の安全性に影響を及ぼします。 スラリーの細かさが大きすぎると、充電および放電中に負極材料が比較的大きく変化し、金属リチウムの析出が発生する可能性があります。 スラリーの細かさが小さすぎると、バッテリーの内部抵抗が大きくなりすぎます。 コーティングの加熱温度が低すぎたり、乾燥時間が不十分な場合、溶剤が残り、バインダーが部分的に溶解し、一部の活物質が簡単に剥がれます。 温度が高すぎるとバインダーが炭化し、活物質が脱落して電池内部が短絡する場合があります。
バッテリー使用中の5つの潜在的な安全上の問題
リチウムイオン電池は、使用中の過充電または過放電を最小限に抑える必要があります。 特にモノマー容量の高いバッテリーの場合、熱障害により一連の発熱副反応が発生し、安全性の問題が発生する可能性があります。
3つのリチウムイオン電池安全性試験指標
リチウムイオン電池が製造された後、消費者に届く前に、電池の安全性を可能な限り確保し、潜在的な安全上の問題を減らすために、一連のテストが必要です。
1.スクイーズテスト：完全に充電されたバッテリーを平らな面に置き、油圧シリンダーで13±1KNの圧力を加え、直径32mmの鋼棒の平らな面からバッテリーを絞ります。 スクイーズ圧力が最大停止スクイーズに達すると、バッテリーは発火せず、&＃39;爆発しないでください。
2.衝撃試験：バッテリーが完全に充電されたら、平らな面に置き、バッテリーの中央に直径15.8mmの鋼柱を垂直に置き、高さ610mmから9.1kgの重りを自由に落下させます。バッテリーの上の鋼柱。 バッテリーが発火したり爆発したりすることはありません。
3.過充電テスト：1Cでバッテリーを完全に充電し、3C過充電10Vに従って過充電テストを実行します。 バッテリーが過充電されると、電圧は特定の電圧まで上昇し、一定期間安定します。 一定時間に近づくと、バッテリー電圧が急激に上昇します。 一定の限界に達すると、バッテリーのトップキャップが外され、電圧が0Vに低下し、バッテリーが発火したり爆発したりすることはありません。
4.短絡試験：電池が完全に充電された後、電池の正極と負極を抵抗50mΩ以下のワイヤーで短絡し、電池の表面温度を試験します。 電池表面の最高温度は140℃です。 バッテリーキャップが開いており、バッテリーが発火したり爆発したりすることはありません。 。
5.鍼灸テスト：完全に充電されたバッテリーを平らな面に置き、直径3mmの鋼針でバッテリーを半径方向に突き刺します。 テストバッテリーは発火したり爆発したりしません。
6.温度サイクル試験：リチウムイオン電池の温度サイクル試験は、輸送中または保管中に低温および高温環境に繰り返しさらされた場合のリチウムイオン電池の安全性をシミュレートするために使用されます。 テストは、急速で極端な温度を使用することです。変更が行われます。 試験後、サンプルが発火、爆発、または漏れてはなりません。
4つのリチウムイオン電池安全ソリューション
材料、製造、使用プロセスにおけるリチウムイオン電池の多くの隠れた安全上の危険性を考慮すると、安全性の問題が発生しやすい部品をどのように改善するかは、リチウムイオン電池メーカーが解決する必要のある問題です。
1電解液の安全性を向上させます
特に高温では、電解質と正極および負極の間に高い反応活性があります。 電池の安全性を向上させるためには、電解質の安全性を向上させることがより効果的な方法の1つです。 電解質の潜在的な安全上の問題は、機能性添加剤の添加、新しいリチウム塩の使用、および新しい溶媒の使用によって効果的に解決できます。
添加剤の機能の違いにより、安全保護添加剤、皮膜形成添加剤、正極保護添加剤、安定化リチウム塩添加剤、リチウム析出促進添加剤、集電体防食添加剤、湿潤性向上添加剤に分類できます。 。
市販のリチウム塩の性能を向上させるために、研究者はそれらの原子を置換し、多くの誘導体を入手しました。 その中で、原子をパーフルオロアルキル基で置換することによって得られる化合物は、高い引火点、同様の導電率、および強化された耐水性などの多くの利点を有する。 、は、大きな応用の可能性を秘めた一種のリチウム塩化合物です。 また、ホウ素原子を酸素配位子でキレート化して得られる陰イオン性リチウム塩は、熱安定性が高い。
溶媒に関しては、多くの研究者がカルボン酸エステルや有機エーテルなどの一連の新しい有機溶媒を提案しています。 さらに、イオン液体には、安全性の高い電解質のクラスもありますが、比較的一般的に使用されている炭酸塩ベースの電解質です。 イオン液体の粘度は桁違いに高く、導電率とイオン自己拡散係数は低くなっています。 実用化までにはまだ多くの作業があります。 すること。
2電極材料の安全性を向上させる
リン酸鉄リチウムと三元複合材料は、低コストであると考えられています& quot;優れた安全性& quot; カソード材料であり、電気自動車業界で普及する可能性があります。 正極材料の場合、安全性を向上させるための一般的な方法はコーティングの変更です。 例えば、正極材料を金属酸化物で表面コーティングすることにより、正極材料と電解質との直接接触を防ぎ、正極材料の相変化を抑制し、その構造安定性を改善して、カチオンの乱れを低減することができる。副反応による発熱を低減する結晶格子。
負極材料の場合、リチウムイオン電池では表面が熱化学的分解や発熱を起こしやすいことが多いため、SEI膜の熱安定性を向上させることが負極材料の安全性を向上させる重要な方法です。 弱酸化、金属および金属酸化物の堆積、ポリマーまたはカーボンコーティングにより、負極材料の熱安定性を向上させることができます。
3改善されたバッテリー安全保護設計
市販のリチウムイオン電池は、電池材料の安全性の向上に加えて、電池の安全弁、熱ヒューズの設定、正の温度係数を持つコンポーネントの直列接続、熱シールダイアフラムの使用、専用保護回路の搭載など、多くの安全保護対策を採用しています。専用のバッテリー管理システムなどもセキュリティを強化する手段です。
5つのリチウムイオン電池安全ソリューションプロバイダー
リチウムイオン電池の安全性がますます注目されるにつれ、多くの企業がリチウムイオン電池の潜在的な安全上の危険性について特に研究開発を行い、効果的な電池安全ソリューションを提案しています。
Chuangwei New Energyは、国内の電力バッテリーの熱暴走警告および安全技術の初期の研究者であり、バッテリーボックスの特殊自動消火装置のパイオニアとして、& quot;リチウムイオンバッテリー熱暴走モデル& quot;のパイオニアです。バッテリーボックスの熱暴走監視と自動消火を推進。 技術の大規模な応用。
& quot;リチウムイオン電池の熱暴走モデル& quot; 垂直、水平、垂直の3つの次元に分かれています。 垂直方向は、複数のセンサーのデータの冗長性です。つまり、同じ環境でのセンサーデータの複数のセットを適合させて、さまざまな材料やさまざまな環境のデータ特性曲線をシミュレートします。 水平方向は、ノイズを除去するためのセンサーの履歴データの連続時間アルゴリズムです。干渉は、しきい値方式の誤警報、誤警報、および早期警告ラグの問題を効果的に解決します。 垂直パンク、鈍針バックログ、およびその他の方法を使用して、さまざまなタイプのパワーバッテリーの熱暴走プロセスをシミュレートします。
多数の実験と実際の操作データに基づく3次元融合、数学的方法を通じて、熱暴走によって引き起こされるさまざまな変数間の内部関係を要約し、神経学的原理を使用して、非常に早期で信頼性の高い自己を形成します-操作& quot;リチウムイオン& quot; バッテリー熱暴走モデル& quot; バッテリー寿命の隠れた危険の早期警告とインテリジェント制御を実現します。
実際の車両運転で発生した早期警報の例が多数あり、このモデルの有効性と進歩が証明され、現在のバッテリーボックスの熱暴走警報と自動消火のコアテクノロジーとなっています。
深センベンウェイバッテリーは、リチウムイオンバッテリーのR& D、製造、販売を専門とするハイテク企業です。 製品の応用分野は、電気自動車用リチウム電池、リチウム電池、エネルギー貯蔵用リチウム電池などです。同社と電池セルメーカーは、長期的な安定性を維持し、最新の技術的成果とコンセプトを製品シリーズ全体に適用しています。開発プロセス。 製造ワークショップには、高度な生産設備と一流の試験機器が装備されています。 同時に、プロの生産チームと品質管理チームのグループがあり、厳密には生産リンクのすべてのステップで、バッテリーの安全性を確保するためのプロセスの継続的な最適化と改善を行っています。
