فهم تكنولوجيا سلامة بطارية الليثيوم من ثلاثة جوانب: المادة والتصميم والعملية
مخاطر بطاريات الليثيوم أيون
تعد بطاريات الليثيوم أيون مصدرًا خطيرًا للطاقة الكيميائية نظرًا لخصائصها الكيميائية وتكوين نظامها.
(1). النشاط الكيميائي العالي
الليثيوم هو عنصر المجموعة الأولى الرئيسي في الفترة الثانية من الجدول الدوري للعناصر وله خصائص كيميائية نشطة للغاية.
(2). كثافة طاقة عالية
تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بطاقة نوعية عالية للغاية (أكبر من أو تساوي 140 واط ساعة/كجم)، عدة أضعاف طاقة البطاريات الثانوية مثل النيكل والكادميوم والنيكل والهيدروجين. يؤدي التفاعل الحراري الجامح إلى إطلاق الحرارة وقد يؤدي إلى سلوك غير آمن.
(3). باستخدام نظام المنحل بالكهرباء العضوية
المذيب العضوي لنظام الإلكتروليت العضوي هو الهيدروكربون، الذي يتميز بجهد تحلل منخفض وعرضة للأكسدة. المذيب قابل للاشتعال أيضًا. سوف تشتعل البطارية أو تحترق أو تنفجر في حالة حدوث تسرب.
(4). احتمال كبير لردود الفعل الجانبية
أثناء الاستخدام العادي لبطاريات الليثيوم أيون، يتم إجراء تفاعلات كيميائية إيجابية يتم فيها تحويل الطاقة الكهربائية والكيميائية إلى بعضها البعض داخليًا. ومع ذلك، في ظل ظروف معينة، مثل الشحن الزائد، أو الإفراط في التفريغ، أو الإفراط في التشغيل الحالي، فمن السهل أن تسبب تفاعلات جانبية كيميائية داخل البطارية. عندما يشتد رد الفعل الجانبي هذا، فإنه سيؤثر بشكل خطير على أداء البطارية وعمر الخدمة. قد يتم إنتاج كمية كبيرة من الغاز، مما يتسبب في زيادة الضغط داخل البطارية بسرعة ومن ثم انفجارها واشتعال النيران فيها، مما يسبب مشكلات تتعلق بالسلامة.
(5). هيكل مادة القطب غير مستقر
سيؤدي تفاعل الشحن الزائد لبطاريات الليثيوم أيون إلى تغيير هيكل مادة الكاثود، مما يجعل المادة لها تأثير أكسدة قوي ويتسبب في خضوع المذيب الموجود في المنحل بالكهرباء لأكسدة قوية. وهذا التأثير لا رجعة فيه، وإذا تراكمت الحرارة الناتجة عن التفاعل، يكون هناك خطر الهروب الحراري.
تحليل أسباب مشكلات السلامة في منتجات بطاريات الليثيوم أيون
بعد 30 عامًا من التطوير الصناعي لمنتجات بطاريات الليثيوم أيون، حققت تكنولوجيا السلامة تقدمًا كبيرًا، حيث تمكنت من التحكم بشكل فعال في حدوث التفاعلات الجانبية في البطارية وضمان سلامة البطارية. ومع ذلك، نظرًا لاستخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع وزيادة كثافة الطاقة الخاصة بها، فقد وقعت حوادث مثل الانفجارات والإصابات أو سحب المنتج بسبب مخاطر السلامة بشكل متكرر في السنوات الأخيرة. نلخص الأسباب الرئيسية التي تسبب مشاكل السلامة في منتجات بطاريات الليثيوم أيون على النحو التالي:
1. مشاكل المواد الأساسية للبطارية
تشمل المواد المستخدمة في قلب البطارية المادة النشطة الإيجابية، والمواد النشطة السلبية، والفاصل، والكهارل، والقشرة، وما إلى ذلك. ويحدد اختيار المواد ومطابقة النظام المكون أداء السلامة في قلب البطارية. عند اختيار المواد النشطة الإيجابية والسلبية والمواد الفاصلة، لم تقم الشركة المصنعة بإجراء تقييم معين لخصائص ومطابقة المواد الخام، مما أدى إلى أوجه قصور متأصلة في سلامة خلايا البطارية.
2. قضايا عملية الإنتاج
لا يتم اختبار المواد الخام لخلايا البطارية بدقة. بيئة الإنتاج سيئة، مما يؤدي إلى اختلاط الشوائب في الإنتاج، الأمر الذي ليس له ضرر كبير على سعة البطارية فحسب، بل له أيضًا تأثير كبير على سلامة البطارية؛ بالإضافة إلى ذلك، إذا تم خلط الكثير من الرطوبة في المنحل بالكهرباء، فقد يتسبب ذلك في تفاعلات جانبية لزيادة الضغط الداخلي للبطارية، مما يؤثر على السلامة؛ بسبب القيود المفروضة على مستوى عملية الإنتاج، لا يمكن للمنتج تحقيق اتساق جيد أثناء عملية إنتاج خلايا البطارية، مثل ضعف التسطيح لقاعدة القطب الكهربائي، ومشاكل مثل سقوط المواد النشطة للقطب الكهربائي، وخلط الشوائب الأخرى في المواد النشطة واللحام الضعيف ودرجة حرارة اللحام غير المستقرة والنتوءات على حواف قطع القطب وعدم استخدام الشريط العازل على الأجزاء الرئيسية قد يؤثر جميعها على سلامة قلب البطارية. تأثير سلبي.
3. عيوب تصميم البطارية الأساسية وانخفاض أداء السلامة
فيما يتعلق بالتصميم الهيكلي، فإن العديد من النقاط الرئيسية التي لها تأثير على السلامة لا تؤخذ على محمل الجد من قبل الشركات المصنعة، مثل عدم وجود شريط عازل في الأجزاء الرئيسية، وتصميم الفاصل لا يترك أي هامش أو هامش غير كاف، وقدرة القطب الموجب والسالب تصميم النسبة غير معقول، ونشاط القطب الموجب والسالب تصميم نسبة مساحة المادة غير معقول، وتصميم طول علامة التبويب غير معقول، وما إلى ذلك، مما قد يشكل مخاطر خفية على سلامة البطارية. بالإضافة إلى ذلك، في عملية إنتاج خلايا البطارية، ولتوفير التكاليف وتحسين الأداء، تحاول بعض الشركات المصنعة للبطاريات توفير المواد الخام وضغطها، مثل تقليل مساحة الحجاب الحاجز، وتخفيف رقائق النحاس، ورقائق الألومنيوم، وعدم استخدام صمامات تخفيف الضغط والأشرطة العازلة، وما إلى ذلك، ستقلل من سلامة البطارية.
4. كثافة الطاقة عالية جدًا
يتابع السوق منتجات البطاريات ذات السعة العالية. ولزيادة القدرة التنافسية للمنتجات، يواصل المصنعون زيادة الطاقة الخاصة بالحجم لبطاريات الليثيوم أيون، مما يزيد بشكل كبير من مخاطر البطاريات.
تكنولوجيا الامن
على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون لها العديد من المخاطر الخفية، إلا أنه في ظل ظروف استخدام محددة ومن خلال اتخاذ تدابير معينة، يمكن التحكم بشكل فعال في حدوث ردود الفعل الجانبية وردود الفعل العنيفة في الخلايا لضمان سلامتها. يقدم ما يلي بإيجاز العديد من تقنيات السلامة شائعة الاستخدام لبطاريات الليثيوم أيون.
اختر المواد الخام ذات عامل الأمان العالي
اختر المواد النشطة الإيجابية والسلبية والمواد الفاصلة والإلكتروليتات ذات عوامل الأمان الأعلى.
أ) اختيار المواد الكاثود
تعتمد سلامة المواد الكاثودية بشكل أساسي على الجوانب الثلاثة التالية:
1. الاستقرار الديناميكي الحراري للمادة.
2. الاستقرار الكيميائي للمواد.
3. الخصائص الفيزيائية للمواد.
ب) اختيار مواد الحجاب الحاجز
تتمثل الوظيفة الرئيسية للفاصل في فصل الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة للبطارية لمنع الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة من الاتصال والتسبب في حدوث ماس كهربائي. في الوقت نفسه، لديه القدرة على السماح للأيونات المنحل بالكهرباء بالمرور، أي أنه يحتوي على عزل إلكتروني وموصلية أيونية. يجب ملاحظة النقاط التالية عند اختيار الفواصل لبطاريات الليثيوم أيون:
1. لديها عزل إلكتروني وتضمن العزل الميكانيكي للأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية.
2. لديها حجم مسام ومسامية معينة لضمان مقاومة منخفضة وموصلية أيونية عالية.
3. تتمتع مادة الحجاب الحاجز بثبات كيميائي كافٍ ويجب أن تكون مقاومة للتآكل بالكهرباء.
4. يجب أن يكون للحجاب الحاجز وظيفة الحماية التلقائية للإغلاق؛
5. يجب أن يكون الانكماش الحراري وتشوه الحجاب الحاجز صغيرًا قدر الإمكان.
6. يجب أن يكون للحجاب الحاجز سمك معين؛
7 يجب أن يتمتع الحجاب الحاجز بقوة بدنية قوية ومقاومة كافية للثقب.
ج) اختيار المنحل بالكهرباء
يعد الإلكتروليت مكونًا مهمًا في بطاريات الليثيوم أيون ويلعب دورًا في نقل وتوصيل التيار بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة للبطارية. الإلكتروليت المستخدم في بطاريات الليثيوم أيون هو محلول إلكتروليت يتكون عن طريق إذابة ملح الليثيوم المناسب في مذيب عضوي مختلط لابروتيكي. يجب أن تستوفي عادةً المتطلبات التالية:
1. استقرار كيميائي جيد، لا يوجد تفاعل كيميائي مع المواد النشطة للقطب الكهربائي، المجمعات الحالية، والفواصل؛
2. استقرار كهروكيميائي جيد ونافذة كهروكيميائية واسعة.
3 أيونات الليثيوم لها موصلية عالية وموصلية إلكترونية منخفضة؛
4. نطاق درجة حرارة السائل واسعة.
5. آمنة وغير سامة وصديقة للبيئة.
تعزيز تصميم السلامة الشاملة لخلايا البطارية
قلب البطارية هو الرابط الذي يجمع بين المواد المختلفة في البطارية. إنه يدمج القطب الموجب، القطب السالب، الفاصل، علامة التبويب، وفيلم التغليف. لا يؤثر التصميم الهيكلي لنواة البطارية على أداء المواد المختلفة فحسب، بل يؤثر أيضًا على الأداء العام للبطارية. الأداء الكهروكيميائي وأداء السلامة لهما تأثير مهم. هناك علاقة جزئية وشاملة بين اختيار المواد والتصميم الهيكلي لنواة البطارية. يجب دمج خصائص المواد في التصميم الأساسي للبطارية لصياغة نموذج هيكلي معقول.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا مراعاة بعض أجهزة الحماية الإضافية في هيكل بطارية الليثيوم. تشمل تصاميم آليات الحماية المشتركة ما يلي:
1. باستخدام عناصر التبديل، عندما ترتفع درجة الحرارة داخل البطارية، ترتفع مقاومتها وفقًا لذلك. عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا، سيتم إيقاف مصدر الطاقة تلقائيًا؛
2. قم بإعداد صمام الأمان (فتحة التهوية الموجودة أعلى البطارية). عندما يرتفع الضغط الداخلي للبطارية إلى قيمة معينة، سيتم فتح صمام الأمان تلقائيًا لضمان سلامتها.
فيما يلي بعض الأمثلة على التصميم الآمن لهياكل خلايا البطارية:
أ) نسبة قدرة الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية وحجم تصميم الشريحة
حدد نسبة سعة القطب الموجب والسالب المناسبة بناءً على خصائص مواد القطب الموجب والسالب. تعد نسبة سعات القطب الموجب والسالب لقلب البطارية رابطًا مهمًا يتعلق بسلامة بطارية الليثيوم أيون. إذا كانت سعة القطب الموجب كبيرة جدًا، فسيظهر الليثيوم المعدني على سطح القطب السالب. الترسيب، وإذا كان القطب السالب كبيرًا جدًا، فستعاني سعة البطارية من خسارة أكبر. بشكل عام، يتم إجراء N/P=1.05~1.15 والتحديدات المناسبة بناءً على سعة البطارية الفعلية ومتطلبات السلامة. صمم حجم القطعة بحيث يغطي موضع معجون القطب السالب (المادة الفعالة) (أكبر من) موضع معجون القطب الموجب. بشكل عام، يجب أن يكون العرض أكبر من 1 إلى 5 ملم ويجب أن يكون الطول أكبر من 5 إلى 10 ملم.
ب) بدل لعرض الحجاب الحاجز
المبدأ العام لتصميم عرض الفاصل هو منع الدوائر القصيرة الداخلية الناتجة عن الاتصال المباشر بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية. بسبب الانكماش الحراري للفاصل أثناء عملية الشحن والتفريغ للبطارية وفي الصدمة الحرارية وغيرها من البيئات، فإن الفاصل سوف يتشوه في اتجاهي الطول والعرض، وسوف يزيد الفاصل من مساحة التجعد من الاستقطاب بسبب زيادة المسافة بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية. تزيد المساحة الممتدة للفاصل من احتمالية حدوث ماس كهربائي صغير بسبب ترقق الفاصل؛ قد يؤدي انكماش منطقة الحافة الفاصلة إلى حدوث ماس كهربائي مباشر في الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة بسبب التلامس، مما يعرض البطارية للخطر بسبب الانفلات الحراري. لذلك، عند تصميم البطارية، يجب مراعاة خصائص الانكماش للفاصل عند استخدام المساحة والعرض. الفاصل أكبر من الأنود والكاثود. مع الأخذ في الاعتبار أخطاء العملية، يجب أن يكون فيلم العزل أطول بمقدار 0.1 مم على الأقل من الحافة الخارجية لقطعة القطب.
ج) معالجة العزل
تعد الدائرة القصيرة الداخلية عاملاً مهمًا في مخاطر سلامة بطاريات الليثيوم أيون. في التصميم الهيكلي لخلية البطارية، يمكن أن تتسبب العديد من الأجزاء التي يحتمل أن تكون خطرة في حدوث دوائر قصيرة داخلية. ولذلك، ينبغي إعداد التدابير اللازمة أو العزل في هذه المواقع الرئيسية لمنع حدوث دوائر قصيرة داخلية في ظل ظروف غير طبيعية. في حالة حدوث ماس كهربائي داخل البطارية، على سبيل المثال، احتفظ بمسافة ضرورية بين أذني القطب الموجب والسالب؛ تطبيق شريط عازل على الجانب النهائي دون لصق في المنتصف، وتغطية جميع الأجزاء المكشوفة؛ تطبيق شريط عازل بين رقائق الألومنيوم الإيجابية والمادة النشطة السلبية؛ يغطي الشريط العازل للتطبيق جميع أجزاء اللحام في علامات التبويب؛ يتم استخدام الشريط العازل في الجزء العلوي من قلب البطارية.
د) تركيب صمام الأمان (جهاز تخفيف الضغط)
غالبًا ما تكون بطاريات الليثيوم أيون في خطر لأن درجة الحرارة أو الضغط الداخلي مرتفع جدًا، مما يتسبب في حدوث انفجارات أو حرائق؛ يمكن أن يؤدي إعداد جهاز معقول لتخفيف الضغط إلى تحرير الضغط والحرارة داخل البطارية بسرعة عند حدوث خطر، مما يقلل من خطر الانفجار. مطلوب جهاز معقول لتخفيف الضغط لتلبية الضغط الداخلي للبطارية أثناء التشغيل العادي ويتم فتحه تلقائيًا لتحرير الضغط عندما يصل الضغط الداخلي إلى الحد الخطير. عند ضبط موضع جهاز تخفيف الضغط، يجب مراعاة تأثير الزيادة في الضغط الداخلي لغلاف البطارية. تم تصميم صمامات الأمان على أساس خصائص التشوه، ويمكن تصميمها من خلال الصفائح والحواف والدرزات والشقوق.
تحسين مستوى التكنولوجيا
ينبغي بذل الجهود لتوحيد عملية إنتاج خلايا البطارية. في خطوات الخلط، والطلاء، والخبز، والضغط، والقطع، واللف، يتم توحيد المعايير (مثل عرض الحجاب الحاجز، وحجم حقن الإلكتروليت، وما إلى ذلك) وتحسين طرق المعالجة (مثل طريقة الحقن بالضغط المنخفض، والتحميل بالطرد المركزي، وما إلى ذلك). طريقة شل، وما إلى ذلك)، القيام بعمل جيد في التحكم في العملية، وضمان جودة العملية، وتضييق الاختلافات بين المنتجات؛ إعداد خطوات عملية خاصة في الخطوات الرئيسية التي لها تأثير على السلامة (مثل إزالة حواف لوحة القطب الكهربي، ومسحوق الكنس، واستخدام طرق لحام مختلفة لمواد مختلفة)، وما إلى ذلك)، وتنفيذ مراقبة الجودة الموحدة، والقضاء على الأجزاء المعيبة، و استبعاد المنتجات المعيبة (مثل تشوه قطعة القطب، وثقب الحجاب الحاجز، وسقوط المواد النشطة، وتسرب المنحل بالكهرباء، وما إلى ذلك)؛ حافظ على موقع الإنتاج مرتبًا ونظيفًا، وقم بتنفيذ إدارة 5S و6 -مراقبة جودة سيجما لمنع اختلاط الشوائب والرطوبة أثناء الإنتاج وتقليل تأثير الحوادث على السلامة أثناء الإنتاج.
