1. Mechanizm niekontrolowanego procesu termicznego w akumulatorach litowo-jonowych
Baterie litowe powstają poprzez osadzenie jonów litu w węglu (koks naftowy i grafit) w celu utworzenia elektrody ujemnej. Jako materiał elektrody dodatniej powszechnie stosuje się LixCoO2, ale stosowane są również LixNiO2 i LixMnO4. Jako elektrolit stosuje się LiPF6+węglan dietylenu (EC) + węglan dimetylu (DMC). Do głównych czynników wyzwalających niekontrolowaną temperaturę zaliczają się uszkodzenia mechaniczne, przeładowanie, zwarcia wewnętrzne itp. Pod wpływem różnych czynników materiały aktywne wewnątrz akumulatorów litowo-jonowych ulegają gwałtownym reakcjom egzotermicznym, a temperatura wewnętrzna akumulatora przekracza kontrolowany zakres , co ostatecznie prowadzi do ucieczki termicznej. Egzotermiczne reakcje chemiczne zachodzące wewnątrz akumulatora litowo-jonowego obejmują rozkład maski twarzowej SEI ze stałym elektrolitem, reakcję między ujemnym materiałem aktywnym a elektrolitem, reakcję między ujemnym materiałem aktywnym a spoiwem oraz reakcję rozkładu utleniającego elektrolitu.
Podczas procesu ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo-jonowych węglan winylu na granicy faz stałej materiału aktywnego elektrody będzie reagował z litem elektrody ujemnej, tworząc warstwę filmu SEI na grafitowej powierzchni przylegania. Membrana ta może bezpośrednio spowolnić lub nawet uniemożliwić reakcję pomiędzy elektrolitem a materiałami aktywnymi po obu stronach elektrody, znacznie zmniejszając jej szybkość egzotermiczną i poprawiając stabilność materiałów elektrody dodatniej i ujemnej.
Gdy temperatura wzrasta do 90-120 stopnia, warstwa SEI zaczyna się rozkładać, po czym następuje reakcja egzotermiczna pomiędzy elektrolitem a materiałem aktywnym elektrody ujemnej. Biorąc za przykład węglan winylu, proces reakcji pokazano równaniami (1) i (2):
Podczas reakcji egzotermicznej temperatura wewnętrzna akumulatora stopniowo wzrasta. Ze względu na zastosowanie różnych materiałów membran, ich temperatury topnienia również się różnią. Zwykła membrana polipropylenowa ma temperaturę topnienia 165 stopni, a materiał polietylenowy ma temperaturę topnienia 135 stopni. Po osiągnięciu temperatury topnienia materiału separatora, wewnętrzny separator ulega miejscowemu skurczowi, powodując bezpośredni kontakt pomiędzy materiałami elektrody dodatniej i ujemnej wewnątrz akumulatora, co skutkuje zwarciem i wygenerowaniem dużej ilości ciepła. Duża ilość ciepła wytwarzana w wyniku zwarcia powoduje szybkie kurczenie się membrany, co dodatkowo zaostrza reakcję egzotermiczną.
Jednocześnie w zakresie temperatur, w których warstwa SEI ulega rozkładowi i reakcjom egzotermicznym, sole litu również ulegają intensywnym reakcjom egzotermicznym z elektrolitem. Typowe rodzaje materiałów aktywnych do akumulatorów litowo-jonowych obejmują heksafluorofosforan litu (LiPF6), tetrafluoroboran litu (LiBF4) itp. Heksafluorofosforan litu rozkłada się w wysokich temperaturach, tworząc PF5, który następnie reaguje z rozpuszczalnikiem, pochłaniając atomy tlenu CO wiążą się i ulegają gwałtownej reakcji egzotermicznej, dodatkowo przyspieszając rozkład elektrolitu. Jednocześnie reakcja utleniania i redukcji pomiędzy heksafluorofosforanem litu i rozpuszczalnikiem uwalnia również wysoce toksyczny gazowy kwas fluorowodorowy (HF). Specyficzny proces reakcji przedstawiono w równaniach (3) do (5):
W tym samym zakresie temperatur sam elektrolit ulega reakcji rozkładu i wydziela się niewielka ilość palnego gazu. Stosując kalorymetrię szybkościową do analizy procesu niekontrolowanej utraty ciepła, stwierdzono, że gazy powstające w wyniku rozkładu elektrolitu składają się głównie z C2H4, CO i H2. Elektrolit szybko odparowuje, co zwiększa ciśnienie wewnętrzne akumulatora. Kiedy ciśnienie wewnętrzne osiągnie granicę zaworu bezpieczeństwa, zostanie wyrzucona duża ilość palnego gazu, co jeszcze bardziej zaostrzy rozprzestrzenianie się niekontrolowanej temperatury. Ciepło wytwarzane podczas całkowitego spalania elektrolitu jest znacznie większe niż ciepło uwalniane w reakcji rozkładu. Biorąc za przykłady węglan etylenu (EC) i węglan propylenu (PC), procesy reakcji utleniania elektrolitu (6) ~ (7) i niepełnego utleniania (8) ~ (9) są następujące:
W miarę stopniowego wzrostu temperatury wewnętrznej akumulatora, materiał aktywny elektrody dodatniej zaczyna się rozkładać. W zależności od zastosowania różnych materiałów aktywnych, temperatura, w której zachodzą reakcje egzotermiczne, również jest różna. W wyniku rozkładu materiału aktywnego elektrody dodatniej powstaje tlen, który następnie bierze udział w reakcji z wewnętrznym materiałem aktywnym, wytwarzając dużą ilość gazu wewnątrz akumulatora. Proces reakcji jest następujący:
Gdy temperatura przekroczy 136 stopni, spoiwo polifluorek winylidenu (PVDF) zareaguje z litem, wytwarzając gazowy wodór. Proces reakcji jest następujący:
Z wyjątkiem topienia i pochłaniania ciepła przez warstwę SEI, wszystkie powyższe reakcje chemiczne są reakcjami egzotermicznymi. Uwalnianie ciepła z rozkładu elektrolitu, separatora, materiału aktywnego akumulatora i kleju stanowi odpowiednio 43,5%, 30,3%, 20,1% i 6,2% całkowitego wydzielanego ciepła. Największym źródłem ciepła jest reakcja pomiędzy dodatnimi i ujemnymi materiałami aktywnymi akumulatora i elektrolitu.
2. Czynniki wywołujące niekontrolowaną temperaturę w akumulatorach litowo-jonowych
Czynniki wywołujące niekontrolowaną reakcję termiczną w akumulatorach litowo-jonowych można podzielić na trzy kategorie: nadużycia mechaniczne (przebicie igły, odkształcenie przy ściskaniu, kolizja zewnętrzna), nadużycia elektryczne (przeładowanie i nadmierne rozładowanie, zwarcie) oraz nadużycia termiczne (system zarządzania temperaturą). awaria). Nadużycia mechaniczne mogą łatwo wywołać wewnętrzne zwarcia w bateriach litowych, prowadząc do niekontrolowanej utraty ciepła; W przypadku nadużywania energii elektrycznej przeładowanie i rozładowanie akumulatorów może powodować wewnętrzne reakcje uboczne, prowadzące do lokalnego przegrzania ogniw akumulatora i powodując niekontrolowaną niestabilność cieplną; Zwarcie zewnętrzne to niebezpieczny stan szybkiego rozładowania akumulatorów, w którym wyjątkowo duże prądy powodują szybkie nagrzewanie, a nawet stopienie zacisków akumulatora; W stanie nadużycia termicznego awaria systemu zarządzania ciepłem często powoduje skurcz i rozkład wewnętrznej membrany, co ostatecznie prowadzi do wewnętrznych zwarć i niekontrolowanej niekontrolowanej temperatury.
Ponadto stan własny akumulatora jest również jednym z ważnych czynników powodujących niestabilność cieplną. Wraz ze wzrostem cykli ładowania i rozładowania akumulatora oraz indukcją zanieczyszczeń domieszanych podczas produkcji dendrytów, powstają niekorzystne reakcje uboczne, takie jak dendryty metali, które łatwo przebić separator i spowodować lokalne zwarcia w akumulatorze.
2.1 Badania niestabilności termicznej akumulatora spowodowanej przeciążeniem termicznym
Zgodnie z modelem ucieczki ciepła przez elektrochemiczne sprzęgło termiczne w akumulatorach litowo-jonowych ustalonym w literaturze, akumulatory litowo-jonowe zwykle zaczynają się samonagrzewać, gdy temperatura osiągnie 80 stopni. Kiedy ciepło z akumulatora przeleje się i nie będzie można go skutecznie uwolnić, zarządzanie temperaturą akumulatora doprowadzi do niekontrolowanego wzrostu temperatury akumulatora, który przedostanie się z lokalnych pojedynczych ogniw do akumulatora zasilającego, powodując szereg reakcji ubocznych i niekontrolowaną niekontrolowaną niekontrolowaną ucieczkę ciepła.
Przemoc termiczna nie występuje samoistnie wewnątrz akumulatora. Często z powodu nadużyć mechanicznych lub z innych powodów wewnętrzna temperatura akumulatora wzrasta do wartości progowej, a lokalne obszary akumulatora nagrzewają się, co prowadzi do nadużyć termicznych i dalszego wyzwalania kontroli temperatury i samozapłonu akumulatora.
Jednocześnie niestabilność termiczną akumulatora zastosowano również jako metodę badawczą do testowania eksperymentalnych procesów niekontrolowanej niestabilności termicznej akumulatora i wykrywania charakterystyk bezpieczeństwa podczas niekontrolowanej niestabilności termicznej akumulatora. W 1999 r. KITOH i in. przeprowadzili badania dotyczące monitorowania charakterystyki bezpieczeństwa niekontrolowanej termicznej pracy akumulatorów o dużej energii właściwej w oparciu o metody ogrzewania zewnętrznego. Od tego czasu metoda energii adiabatycznej była szeroko stosowana do testowania progu niekontrolowanej temperatury termicznej akumulatorów litowo-jonowych. Obecne badania nad nadużyciami termicznymi opierają się głównie na zapalaniu akumulatorów przez promieniowanie zewnętrzne. Liu Mengmeng opracował model wieloendogennego wytwarzania ciepła przejściowego i model elektrochemicznego sprzężenia termicznego. W oparciu o metodę nagrzewania radiacyjnego zbadano właściwości bezpieczeństwa akumulatorów po samozapłonie spowodowanym nadużyciami termicznymi. Stwierdzono, że spalanie akumulatorowe można podzielić na trzy etapy, a mianowicie spalanie wtryskowe, spalanie stabilne i spalanie z wtryskiem wtórnym. LI i in. badali wpływ prądu wyładowania na temperaturę na tle niekontrolowanej temperatury spowodowanej nadużyciem termicznym. Stwierdzono, że gdy prąd rozładowania jest stały, utrata jakości, parametry charakterystyki bezpieczeństwa, temperatura inicjacji niekontrolowanej temperatury i temperatura szczytowa podczas procesu niekontrolowanej temperatury zależą od pojemności akumulatora.
2.2 Badania niestabilności termicznej akumulatora spowodowanej nadużyciem prądu
Typowe przyczyny niestabilności termicznej akumulatora obejmują przeładowanie i rozładowanie, zwarcia wewnętrzne, zwarcia zewnętrzne itp.
(1) Przeładowanie i nadmierne rozładowanie
Po zakończeniu cyklu ładowania akumulatora litowo-jonowego system zarządzania akumulatorem BMS zwykle blokuje prąd ładowania w zależności od stanu naładowania. W przypadku awarii systemu BMS przeładowanie akumulatora może łatwo spowodować poważne wypadki związane z samozapłonem. Po osiągnięciu progu SOC podczas ładowania lit metaliczny przylgnie do powierzchni materiału aktywnego elektrody ujemnej, a przyłączony lit będzie reagował z elektrolitem w określonej temperaturze, uwalniając dużą ilość gazu o wysokiej temperaturze. Jednocześnie materiał aktywny elektrody dodatniej zaczyna się topić z powodu nadmiernego usuwania litu i dużej różnicy potencjałów z elektrodą ujemną. Gdy potencjał elektrody dodatniej przekroczy bezpieczne napięcie elektrolitu, elektrolit również ulegnie reakcji utleniania z materiałem aktywnym elektrody dodatniej. Podczas procesu przeładowania może wystąpić szereg reakcji ubocznych, takich jak nagrzewanie omowe i przepełnienie gazu, zaostrzając występowanie niekontrolowanej temperatury.
Gaz uwalniany podczas przeładowania akumulatorów litowo-jonowych składa się głównie z CO2, CO, H2, CH4, C2H6 i C2H4, a objętość gazu i ciepło zwiększają się wraz ze wzrostem prądu ładowania. Dzięki zastosowaniu do analizy połączeń kalorymetru przyspieszonego i analizatora cyklu akumulatora eksperyment pokazuje, że niebezpieczeństwo przeładowania przy stałym napięciu prądu stałego jest znacznie większe niż w przypadku bezpośredniego przeładowania prądem stałym. Na podstawie właściwości przeładowania kompozytowej elektrody dodatniej i grafitowej elektrody ujemnej w różnych środowiskach eksperymentalnych Ren i in. kompleksowo rozważono wpływ prądu ładowania, materiału separatora i systemu odprowadzania ciepła. Badania wykazały, że ilość ciepła wydzielanego podczas przeładowania akumulatorów NCM nie jest ściśle powiązana z wielkością prądu ładowania. Temperatura topnienia różnych materiałów oddzielających oraz odkształcenie i pęcznienie akumulatora to główne czynniki powodujące niestabilność cieplną akumulatorów litowo-jonowych. Wang i in. przeanalizowali ścieżkę propagacji ciepła i ścieżkę przelewania się gazu o wysokiej temperaturze w przeładowanych akumulatorach litowych i odkryli, że ciepło wytwarzane w wyniku reakcji pomiędzy osadzaniem się litu a elektrolitem podczas przeładowania akumulatora stanowiło ponad 43%. Zhang i in. zbadał mechanizm degradacji pojemności akumulatora w oparciu o przyrostową różnicę napięcia pojemności i odkrył, że pojedyncze przeładowanie ma niewielki wpływ na pojemność akumulatora, ale po przeładowaniu aż do rozwarstwienia materiału aktywnego elektrody dodatniej, mogłoby to poważnie wpłynąć na stabilność termiczną pakietu akumulatorów.
Szkody spowodowane nadmiernym rozładowaniem są znacznie mniejsze. Wczesne nadmierne rozładowanie jest trudne do spowodowania niekontrolowanej ucieczki termicznej akumulatora, ale może mieć wpływ na pojemność akumulatora. Zhou Ping i in. zbadał charakterystykę rozładowania trójskładnikowych baterii litowych NCM niklowo-kobaltowo-manganowych po nadmiernym rozładowaniu. Podczas procesu rozładowywania statycznego stopień zwarcia wewnątrz baterii litowej NCM maleje, rezystancja wzrasta, a prąd rozładowania maleje. Eksperymenty wykazały, że im większa głębokość rozładowania, tym większy stopień tłumienia poszczególnych ogniw wewnątrz pakietu akumulatorów. Ma i in. Stwierdzono w eksperymencie nadmiernego rozładowania akumulatorów litowych, że nadmierne rozładowanie nie zmienia struktury materiałów aktywnych akumulatora, ale może spowodować rozpuszczenie kolektora prądu elektrody ujemnej, zwiększyć grubość warstwy SEI i przyspieszyć starzenie się akumulatora. Charakterystykę zachowania akumulatora litowo-jonowego podczas procesu rozładowywania pokazano na rysunku.
(2) Zewnętrzne zwarcie
Zewnętrzne zwarcia są również ważną przyczyną niestabilności termicznej w akumulatorach zasilających. Chena i in. opracowali nowy model elektrycznego sprzężenia cieplnego oparty na połączeniu modeli wytwarzania, dystrybucji i propagacji ciepła. Badania wykazały, że maksymalna temperatura akumulatorów litowo-jonowych w warunkach zwarcia zewnętrznego występuje na krawędzi ucha elektrody. Ma Taixiao i in. odkryli, że w stanie zwarcia zewnętrznego akumulatorów energetycznych ciepło wytwarzane w wyniku reakcji ubocznych jest znacznie mniejsze niż ciepło wytwarzane w procesie elektrochemicznym, a ciepło wytwarzane w procesie elektrochemicznym jest dodatnio skorelowane z początkowym SOC, ale ujemnie skorelowane ze szczytem temperatury stres termiczny.
(3) Wewnętrzne zwarcie
Zwarcie wewnętrzne, które występuje wewnątrz akumulatora i jest trudne do wykrycia przez system BMS, jest główną przyczyną niestabilności termicznej akumulatorów litowo-jonowych. Kiedy akumulator jest przeładowany lub nadmiernie rozładowany, dendryty litu stopniowo rosną, aby wniknąć w warstwę SEI, powodując wewnętrzne zwarcia i szybko prowadząc do niekontrolowanego wzrostu temperatury i niekontrolowanej niekontrolowanej niestabilności termicznej. Ponadto uszkodzenie siatki lub zadziory kolektora prądu spowodowane nieostrożnymi procesami produkcyjnymi akumulatorów mogą również prowadzić do wewnętrznych zwarć.
2.3 Badania niestabilności termicznej akumulatora spowodowanej uszkodzeniami mechanicznymi
W zastosowaniu samochodowych akumulatorów zasilających awarie mechaniczne są nieuchronnie spowodowane wypadkami. Jeśli zestaw akumulatorów zostanie odkształcony przez siły zewnętrzne, takie jak przebicie i ściskanie, może to spowodować wewnętrzne zmiany strukturalne, a nawet doprowadzić do niekontrolowanej zmiany temperatury w wyniku bezpośredniego kontaktu biegunów dodatniego i ujemnego pod ekstremalnym obciążeniem. Dlatego konieczne jest przeprowadzenie badań nad niekontrolowaną temperaturą akumulatorów spowodowaną nadużyciami mechanicznymi, wśród których Fan Wenjie i Xu Huiyong przeprowadzili badania nad niestabilnością cieplną powodowaną przez nadużycia mechaniczne w oparciu o modelowanie elementów skończonych i analizę numeryczną monitoringu.
Wang i in. przeprowadzili badania zmian przekroju poprzecznego pakietu akumulatorów po zderzeniu w oparciu o miękkie akumulatory litowo-jonowe. Doświadczenie z przebiciem wykazało, że w trakcie przebijania wewnątrz akumulatora pojawiła się duża liczba lokalnych odkształceń i warstw pęknięć ścinających, a także rozerwanie materiału aktywnego kolektora prądu i elektrody dodatniej oraz przegrupowanie wewnętrznej struktury akumulatora pakiet, spowodowane przebiciem separatora, były podstawową przyczyną zwarcia termicznego wewnątrz akumulatora. Lamb i in. badał stan odkształcenia cylindrycznych akumulatorów litowo-jonowych 18650 w warunkach przebicia w oparciu o technologię tomografii komputerowej. Doświadczenie wykazało, że zjawisko infiltracji pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną nasila występowanie zwarć wewnętrznych. Podczas zwarcia dołączona folia aluminiowa topi się, tworząc w miejscu pęknięcia dużą liczbę metalowych kulek. Li i in. ustalił modele analizy elementów skończonych dla różnych stanów uszkodzeń mechanicznych w oparciu o przebicie, ściskanie itp. oraz opracował algorytm uczenia się do przewidywania procesu niekontrolowanej utraty ciepła w akumulatorach na podstawie parametrów zużytych akumulatorów. Wpływ nadużyć mechanicznych na bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych analizowano w oparciu o osiem rodzajów parametrów, w tym siłę uderzenia, kąt zderzenia i zakres odkształceń, znacznie zmniejszając złożoność obliczeniową.
Nadużycia mechaniczne występujące w zastosowaniach praktycznych są bardziej złożone niż pojedyncze eksperymenty, takie jak przebicie i ucisk. Opieranie się wyłącznie na symulacjach eksperymentalnych nie pozwala na dogłębne zbadanie charakterystyki bezpieczeństwa mechanicznego nadużycia akumulatora. Zasadniczym rozwiązaniem jest optymalizacja miejsca montażu akumulatora, ustawienie niezawodnego systemu BMS oraz optymalizacja konstrukcji ramy pojazdu przy projektowaniu pakietu zasilającego, tak aby zminimalizować odkształcenia i ściskanie pakietu zasilającego w przypadku kolizji .
3. Środki i metody zapobiegania niestabilności termicznej akumulatorów litowo-jonowych
Mając na celu blokowanie, opóźnianie i zapobieganie uciekaniu ciepła z akumulatorów, wielu naukowców przeprowadziło badania nad zarządzaniem temperaturą akumulatorów, projektowaniem konstrukcji akumulatorów o wysokiej wytrzymałości i innymi aspektami.
3.1 Projekt bezpieczeństwa poszczególnych akumulatorów
(1) Badania dotyczące bezpieczeństwa konstrukcji membrany
Podstawą poprawy bezpieczeństwa membrany jest zwiększenie temperatury, w której membrana kurczy się i topi, co zwiększa jej zdolność do izolacji w wysokich temperaturach. Zdolność membrany do izolacji w wysokich temperaturach zapewnia, że jej mikropory są uszczelnione w środowisku o wysokiej temperaturze, blokując przepływ jonów litu. Szeroko stosowane materiały membranowe są zazwyczaj pokryte powłokami ceramicznymi lub innymi materiałami o działaniu zamkniętym.
(2) Badania nad bezpieczeństwem materiałów elektrod dodatnich
Najpopularniejszymi materiałami aktywnymi elektrody dodatniej litowo-jonowej stosowanymi na rynku akumulatorów zasilających są zazwyczaj LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM) itp. Używanie materiałów do przykrycia elektrody dodatniej w celu blokowania i łagodzenia ubocznych reakcji niekontrolowanej temperatury, poprawiających cykl pracy akumulatora i stabilność termiczną, taką jak ZrO2 i AlF3. Zhang i in. opracowali warstwowy, trójskładnikowy materiał NCM oparty na gradientowym rozkładzie stężeń atomowych, z Ni jako rdzeniem i Mn pokrywającym zewnętrzną warstwę dołączonych cząstek. Testy wykazały, że może utrzymać dobrą stabilność cykliczną i termiczną nawet w warunkach wielu wysokich temperatur i przeładowania.
(3) Badania nad bezpieczeństwem materiałów elektrod ujemnych
Poprawę bezpieczeństwa elektrody ujemnej osiąga się głównie poprzez powlekanie materiału lub dodawanie dodatków do elektrolitu w celu zwiększenia stabilności termicznej folii SEI. Xu i in. dodano ciekły stop GaSnIn do elektrolitu, aby poprawić stabilność termiczną akumulatora. Z eksperymentu wynika, że przygotowana gradientowa warstwa SEI znacznie zmniejsza polaryzację napięcia i poprawia sprawność kulombowską do 99,06%. Zheng i in. przygotowali ultracienką membranę z nanowłókien aramidowych (ANF) w celu zahamowania wzrostu dendrytów litu. W teście eksperymentalnym, w środowisku o dużej gęstości prądu wynoszącej 50 mA/cm2, pojemność ANF-Li|Poziom naładowania akumulatora LiFePO4 spadł do 80,2% po 1200 cyklach. Po raz pierwszy w ramach badań odkryto włókniste osadzanie się litu, a membrana ANF przygotowana z porów w skali nano sprzyjała dyfuzji elektrolitu, przyspieszała efektywność transportu litu i eliminowała wady penetracji membrany przez dendryty litu o wielkości mikrometrów.
(4) Badania nad bezpieczeństwem elektrolitów
Większość wypadków spowodowanych niekontrolowaną temperaturą ma związek z elektrolitem, dlatego kluczowa jest poprawa bezpieczeństwa elektrolitu w celu zapobiegania ucieczkom termicznym. Do elektrolitu często dodaje się środki zmniejszające palność, stałe substancje polimerowe lub ciecze jonowe jako dodatki zapobiegające przeładowaniu. Fluorowany węglan etylenu (FEC) jest najpopularniejszym dodatkiem do elektrolitów, którego zaletą jest poprawa efektywności kulombowskiej odwracalnego usuwania litu z elektrody ujemnej poprzez zmianę składu warstwy SEI. Li i in. zaprojektowali dwuwarstwową krystaliczną i polimerową warstwę międzyfazową SEI ze stałym elektrolitem, wykorzystując difluoroboran litu (LiDFOB) jako główną sól w mieszanym elektrolicie fosforanowym. Eksperyment z opóźniaczem płomienia wykazał, że czas samogaśnięcia elektrolitu uniepalniającego wynosił 6,1 sekundy, a odwracalna skuteczność Li wynosiła 98,2%. Po 150 cyklach ładowania nadal utrzymywał 89,7% pojemności akumulatora.
3.2 Projektowanie zabezpieczeń i optymalizacji układu akumulatorów mocy
(1) Projekt optymalizacji struktury pakietu akumulatorów
Projekt konstrukcji pakietu akumulatorów i optymalizacja miejsca montażu pojazdu mają kluczowe znaczenie dla poprawy bezpieczeństwa. Chena i in. przeprowadził eksperyment klasyfikacyjny dotyczący wpływu zasięgu niekontrolowanej temperatury w oparciu o układ baterii 18650. Z doświadczenia wynika, że czas zapłonu jest krótszy, a prędkość i zasięg rozprzestrzeniania się są większe na obszarach o większych powierzchniach grzewczych. Jednak w eksperymencie uwzględniono jedynie ogólne nagrzanie modułu akumulatora mocy i nie wzięto pod uwagę lokalnego przegrzania spowodowanego wewnętrznymi zwarciami. Liu Zhenjun i in. zoptymalizowano projekt pakietu akumulatorów w oparciu o trójwymiarowy model rozpraszania ciepła pakietu akumulatorów i przeprowadzoną symulację rozpraszania ciepła. Eksperyment wykazał, że maksymalna temperatura zoptymalizowanego akumulatora litowo-jonowego spadła z 46 stopni do 34 stopni, a różnica temperatur pomiędzy poszczególnymi ogniwami była kontrolowana w granicach 5 stopni.
(2) Projekt systemu zarządzania temperaturą akumulatora
Baterie litowo-jonowe charakteryzują się dużą wrażliwością termiczną, a poprawa wydajności rozładowania w niskich temperaturach i bezpieczeństwa w wysokich temperaturach jest podstawą systemów zarządzania temperaturą baterii. Metody chłodzenia akumulatorów obejmują chłodzenie cieczą i chłodzenie powietrzem. Wszystkie pojazdy elektryczne Tesli wykorzystują technologię chłodzenia cieczą, podczas gdy autobusy elektryczne zazwyczaj korzystają z chłodzenia powietrzem. W ostatnich latach w systemach zarządzania temperaturą akumulatorów zaczęto stosować aerożele, materiały o przemianie fazowej i materiały hybrydowe ze względu na ich doskonałą skuteczność pochłaniania ciepła. Wu i in. opracowali elastyczny materiał na bazie hydrożelu do systemu zarządzania temperaturą akumulatorów. Zastosowano tani poliakrylan sodu. Jego niezwykle dużą plastyczność można wykonać w różnych kształtach i ułożyć w akumulatorze, co pozwala ekonomicznie zrealizować efekt rozpraszania ciepła tradycyjnego chłodzenia powietrzem i chłodzenia cieczą.
(3) Projekt chłodzenia, gaszenia, blokowania i prowadzenia gazu w przypadku niestabilności termicznej akumulatora
Gdy nie da się uniknąć niekontrolowanej temperatury akumulatora, szczególnie ważne jest natychmiastowe zablokowanie i schłodzenie rozprzestrzeniania się ciepła oraz odprowadzanie gazów o wysokiej temperaturze, aby uniknąć wpływu na akumulatory zainstalowane w pobliżu.
Do głównych sposobów blokowania rozprzestrzeniania się niekontrolowanej temperatury zalicza się: napełnianie środkami zmniejszającymi palność, stosowanie materiałów izolacyjnych w celu odizolowania akumulatorów przed niekontrolowaną temperaturą lub odprowadzanie płomieni i gazów o wysokiej temperaturze z pakietu akumulatorów ścieżkami. Xu i in. opracowali wysokotemperaturową gazową rurę rozpraszającą ciepło o prostokątnym przekroju poprzecznym, rozmieszczoną wzdłuż akumulatora, jak pokazano na rysunku 5. Chociaż nie może ona zapobiec występowaniu niekontrolowanej niekontrolowanej temperatury w poszczególnych akumulatorach, może skutecznie zapobiegać rozprzestrzenianiu się lokalnej niekontrolowanej niekontrolowanej zmiany temperatury w pakiety akumulatorów. Li Haoliang i in. zaprojektował system blokujący rozprzestrzenianie się ciepła oraz zintegrowany system sterowania oparty na gazach obojętnych i mieszanych czynnikach chłodniczych. Na podstawie wykresu rozpraszania ciepła i przyspieszenia nagrzewania ustalany jest próg dla układu blokującego. Eksperyment pokazuje, że może skutecznie blokować rozprzestrzenianie się ciepła w przypadku miejscowego przegrzania pakietu akumulatorów.
4. Wniosek
W artykule podsumowano literaturę na temat mechanizmu wyzwalającego, przyczyn i zarządzania monitorowaniem bezpieczeństwa niestabilności termicznej w akumulatorach litowo-jonowych.
(1) W badaniach mechanizmu niekontrolowanej temperatury analizowano stabilność termiczną i prawo wydzielania ciepła głównych elementów akumulatorów litowo-jonowych, a także zasady procesów reakcji uwalniania ciepła, takie jak rozkład elektrolitu, separator, materiały aktywne akumulatora i omówiono głównie kleje.
(2) W badaniach czynników wyzwalających niestabilność cieplną sklasyfikowano i podsumowano cechy i przyczyny różnych warunków wyzwalających, a mianowicie nadużycia mechaniczne, nadużycia elektryczne i niestabilność termiczną akumulatora spowodowaną nadużyciami termicznymi.
(3) Jeśli chodzi o zapobieganie i monitorowanie niekontrolowanych temperatur, w tym artykule omówiono badania mające na celu poprawę bezpieczeństwa niekontrolowanych temperatur w akumulatorach litowo-jonowych z trzech aspektów: projektowanie optymalizacji ogniw akumulatorów litowo-jonowych, optymalizacja systemów akumulatorów mocy oraz systemy zarządzania temperaturą akumulatora i monitorowania systemów ostrzegawczych.
Chociaż poczyniono znaczne postępy w badaniach niestabilności termicznej w akumulatorach litowo-jonowych, w niektórych obszarach badań nadal istnieją luki. Badania nad wpływem starzenia się na bezpieczeństwo spowodowanego nakładaniem się czasów cykli akumulatorów litowo-jonowych rozpoczęły się dopiero w ostatnich latach, zwłaszcza badania eksperymentalne ścieżki i mechanizmu starzenia na stabilność termiczną są wciąż stosunkowo nieliczne. Jednocześnie istnieje niewiele badań eksperymentalnych dotyczących przewidywania i modelowania rozprzestrzeniania się płomienia po wystąpieniu niekontrolowanej niekontrolowanej temperatury, a nadal brakuje numerycznej analizy symulacyjnej rozprzestrzeniania się płomienia. Można zauważyć, że zarządzanie bezpieczeństwem niestabilności termicznej w akumulatorach litowo-jonowych jest wciąż w fazie rozwoju, szczególnie w kierunku ostrzegania i blokowania, co wymaga dalszych badań.