Kao osnovni izvor napajanja za suvremene elektroničke uređaje i električna vozila, litij-ionske baterije naširoko se koriste u pametnim telefonima, električnim vozilima (EV) i osobnim lakim električnim vozilima (PLEV) kao što su e-skuteri i e-bicikli. Unatoč njihovim prednostima visoke gustoće energije, dugog životnog ciklusa i brzog punjenja, toplinski bijeg (TR) ostaje najveća sigurnosna opasnost litij-ionskih baterija. Kada temperatura baterije prijeđe kritični prag (obično 150-180 stupnjeva), ona pokreće nekontrolirani ciklus samozagrijavanja, oslobađajući veliku količinu topline i otrovnih plinova, što dovodi do požara ili čak eksplozija.
Uz čestu pojavu nesreća s požarom PLEV baterije, postalo je osobito hitno dublje razumjeti mehanizam toplinskog odlaska i poduzeti preventivne mjere. Ovaj će članak provesti sustavnu analizu od mehanizma do rješenja.
I. Bitne značajke toplinskog odlaska
Toplinski bijeg lančana je kemijska reakcija koja se događa kada brzina stvaranja topline unutar litij-ionske baterije premaši njezin kapacitet rasipanja topline, uz karakteristiku samo{1}}održivog ubrzanja dok se ne potroše sve zapaljive tvari u bateriji. Njegove glavne manifestacije uključuju:
1. Nekontrolirani porast temperature
- Prag okidanja: Do egzotermnih reakcija dolazi između elektrolita i materijala elektrode na 150-180 stupnjeva.
- Stopa porasta temperature: toplina oslobođena reakcijom može uzrokovati porast temperature iznad 1000 stupnjeva.
- Rizik od širenja: Visoke temperature mogu uzrokovati širenje topline u susjednim baterijskim ćelijama.
2. Erupcija plina i puknuće ljuske
- Sastav plina: razgradnjom elektrolita nastaju zapaljivi i otrovni plinovi kao što su vodik i ugljikov monoksid.
- Akumulacija tlaka: Naglo povećanje unutarnjeg tlaka zatvorene ljuske dovodi do puknuća.
- Sekundarne katastrofe: Izbijeni plinovi mogu eksplodirati pri susretu s iskrama.
3. Vatra i ispuštanje otrovnih plinova
- Karakteristike izgaranja: Temperatura plamena prelazi 1000 stupnjeva, a katodni materijali se razgrađuju i oslobađaju kisik koji podržava izgaranje.
- Tradicionalna metoda gašenja požara gušenjem je neučinkovita i zahtijeva kontinuiranu kontrolu hlađenja.
- Toksične emisije: Otpuštanje korozivnih plinova kao što je fluorovodična kiselina (HF), koja šteti dišnim putevima.
4. Mehanizam toplinskog širenja
II. Analiza četiri inducirajuća čimbenika za toplinski bijeg
1. Mehaničko zlostavljanje
- Sudar i probijanje: vanjske sile uzrokuju oštećenje separatora, što dovodi do unutarnjih kratkih spojeva (npr. nesreće pri padu vozila).
- Zamor od vibracija: kontinuirane vibracije uzrokuju mikro-pukotine u elektrodama, povećavajući rizik od lokalnog pregrijavanja.
- Prijedlozi za inženjersku zaštitu: u strukturnom dizajnu baterijskih modula, korištenje-SMT bakrenih trakastih veza visoke čvrstoće može poboljšati mehaničku stabilnost i smanjiti-mikro-oštećenja izazvana vibracijama.
2. Zlostavljanje električne energije
- Prekomjerno punjenje ili prekomjerno pražnjenje uzrokuje pogoršanje unutarnje strukture
- Overcharging (>4,2 V/ćeliji): Litijska obloga na anodi stvara dendrite koji prodiru kroz separator.
- Pre-pražnjenje (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Kvar BMS-a: Sustav upravljanja baterijom ne radi ispravno i ne može spriječiti abnormalna stanja.
3. Toplinsko zlostavljanje
- Visoka temperatura okoline: Baterije su izložene okolini iznad 60 stupnjeva (npr. unutar vozila pod jakim sunčevim svjetlom).
- Nedovoljno odvođenje topline: Baterije u modulima su pregusto naslagane, što uzrokuje nakupljanje topline.
- Greške u upravljanju toplinom: Nedostatak učinkovitog dizajna puta za raspršivanje topline.
4. Greške u proizvodnji
- Metalne nečistoće: metalne čestice veličine mikrona koje zaostaju u procesu proizvodnje prodiru u separator.
- Defekti separatora: Neravnomjeran premaz dovodi do kvara lokalne izolacije.
- Inferiorne ćelije: Krivotvorene baterije nemaju sigurnosne ventile (CID) i zaštitu od pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC).
Ⅲ.Tehnološki sustav za sprječavanje toplinskog bježanja
1. Poboljšanja u dizajnu upravljanja toplinom
- Barijere za toplinsku izolaciju: Keramičke prevlake/aerogel materijali koriste se za odgađanje širenja topline.
- Sustavi hlađenja: EVs: cirkulacijski cjevovodi za hlađenje tekućinom; PLEVs: Poboljšani hladnjak + dizajn zračnog hlađenja.
- Strukturna optimizacija: Na razini modula, razuman raspored SMT bakrenih traka visoke toplinske vodljivosti može uspostaviti učinkovite bočne putove rasipanja topline i u kombinaciji s materijalima za promjenu faze poboljšati toplinsku ravnotežu.
2. Inteligentni sustav upravljanja baterijom (BMS)
- Trostruki nadzor:-otkrivanje napona, struje i temperature u stvarnom vremenu.
- Aktivna zaštita: automatsko isključivanje-za prekomjerno punjenje/-pražnjenje; Dinamičko uravnoteženje napona ćelija.
- Mehanizam ranog upozorenja: bežični prijenos abnormalnih alarmnih signala.
3. Intrinzično sigurni materijali
Usporedba različitih materijala baterija
4. Mjere zaštite-korisničke strane
- Specifikacije punjenja: Koristite originalne punjače; Izbjegavajte punjenje preko noći; Održavajte razinu napunjenosti između 20%-80%.
- Zahtjevi skladištenja: Hladno i prozračeno okruženje, daleko od zapaljivih tvari.
- Identifikacija abnormalnosti: Odmah prestanite koristiti kada se pronađe izbočina ili neobičan miris.
Ⅳ. Vrhunske-tehnologije nadzora
- Regulatorni standardi: Provedite sigurnosne certifikate kao što su UL 2271 i IEC 62619.
- Odgovornosti proizvođača: Uspostaviti sustav sljedivosti ćelija; Uklonite cirkulaciju lošijih baterija.
- Tehnološke inovacije: Promičite tehnologiju terminala za lasersko zavarivanje kako biste osigurali pouzdanost električnih veza i smanjili lokalno pregrijavanje uzrokovano kontaktnim otporom.
Ⅴ.Zaključak
S brzim razvojem industrije električnog transporta i pohrane energije, sprječavanje bijega topline litij-ionske baterije zahtijeva više-dimenzionalnu suradnju u istraživanju i razvoju materijala, inženjerskom dizajnu i obrazovanju korisnika. Optimiziranjem dizajna upravljanja toplinom (kao što su sheme provođenja topline SMT bakrene trake), popularizacijom inteligentnih BMS sustava i promicanjem sigurnih kemijskih sustava kao što je LFP, možemo izgraditi pouzdaniji ekosustav za pohranu energije.
