Fremskridt inden for forskning i termisk tab af opladning af lithiumbatteri

著者：Iflowpower – Dodavatel přenosných elektráren

Abstrakt: Sammenfatning af de seneste fremskridt og udviklingsmuligheder for forskning i højsikkerheds lithium-ion-batterier. Vigtigt fra højtemperaturstabiliteten af ​​elektrolytter og elektroder har årsagerne til termisk ustabilitet af lithium-ion-batterier og deres mekanismer afklaret, at det eksisterende kommercielle lithium-ion-batterisystem er utilstrækkeligt ved høje temperaturer, foreslår at udvikle højtemperaturelektrolytter, positive og negative modifikationer og ekstern batteristyring osv. at designe højsikkerheds lithium-ion-batterier.

Udsigter til udviklingen af ​​den tekniske udsigt til udvikling af sikkerhedslithium-ion-batterier. 0 Introduktion Lithium-ion-batterier bliver en typisk repræsentant for en ny type energi på grund af dens lave omkostninger, høje ydeevne, højeffekt og grønne miljø, der er meget udbredt i 3C digitale produkter, mobile strømforsyninger og elektriske værktøjer. I de seneste år, på grund af intensivering af miljøforurening og national politisk vejledning, har markedet for elektriske køretøjer baseret på elektriske køretøjer øget efterspørgslen efter lithium-ion-batterier, i færd med at udvikle højeffekt lithium-ion-batterisystemer, har batterisikkerhedsspørgsmål tiltrukket sig omfattende opmærksomhed , Eksisterende problemer er presserende nødt til at løse yderligere.

Temperaturændringen af ​​batterisystemet er bestemt af fremkomsten af ​​varme og fordelt to faktorer. Forekomsten af ​​varme af lithium-ion-batteri er vigtig er forårsaget af reaktionen mellem termisk nedbrydning og batterimateriale. Reducer varmen i batterisystemet og forbedre systemet med anti-høj temperatur ydeevne, batterisystemet er sikkert.

Og lille bærbart udstyr såsom mobiltelefoner, den bærbare computers batterikapacitet er generelt mindre end 2AH, og den power-type lithium-ion batteri kapacitet, der bruges i elektriske køretøjer, er generelt større end 10ah, og den lokale temperatur er ofte højere end 55 ° C under normal drift, og den indre temperatur vil nå 300 ° C, Under høj temperatur eller høj hastighed opladning og afladning vil stigningen i organiske reaktions- og opløsningsmidler forårsage en varmereaktions- og opløsningstemperatur. i sidste ende fører til termisk ude af kontrol og batteriforbrænding eller eksplosion [3]. Ud over sine egne kemiske responsfaktorer har nogle mennesker en kortslutning forårsaget af overophedning, overhaling og mekanisk påvirkning, nogle kunstige faktorer kan også føre til forekomsten af ​​et lithium-ion-batteri for at forårsage sikkerhedsulykker. Derfor er det vigtigt at studere og forbedre højtemperaturydelsen af ​​lithium-ion-batterier.

1 termisk ude af kontrol årsagsanalyse af den termiske ude af kontrol af lithium-ion batteriet er vigtig, fordi den interne temperatur i batteriet stiger. På nuværende tidspunkt er det mest udbredte elektrolytsystem i kommercielle lithium-ion-batterier en blandet carbonatopløsning af LiPF6. Sådant opløsningsmiddel har høj flygtighed, lavt flammepunkt, meget let at forbrænde.

Når den interne kortslutning forårsaget af kollision eller deformeret, en høj hastighed opladning og afladning og overhaling, vil der være en masse varme, hvilket resulterer i at hæve batteriets temperatur. Når man når en bestemt temperatur, vil en række nedbrydningsreaktioner medføre, at batteriets termiske balance ødelægges. Når den varme, der frigives ved disse kemiske reaktioner, ikke kan evakueres i tide, vil det forværre reaktionens forløb og udløse en række selvopvarmende sidereaktioner.

Batteritemperaturen stiger kraftigt, det vil sige "termisk ude af kontrol", hvilket i sidste ende fører til afbrænding af batteriet, og endda en eksplosion opstår alvorligt. Generelt er årsagen til termisk ude af kontrol af lithium-ion batteri vigtig i den termiske ustabilitet af elektrolytten, såvel som den termiske ustabilitet af elektrolytten og positiv og negativ elektrode sameksistens. På nuværende tidspunkt, fra et stort aspekt, er sikkerheden af ​​lithium-ion-batterier vigtig fra ekstern styring og internt design for at kontrollere intern temperatur, spænding og lufttryk for at opnå sikkerhedsformål.

2 Løs strategi for termisk ude af kontrol 2. Ekstern styring 1) PTC (positiv temperaturkoefficient)-komponent: Installer PTC-komponenten i et lithium-ion-batteri, som tager højde for trykket og temperaturen inde i batteriet, og når batteriet opvarmes ved overopladning, er batteriet 10 Modstanden stiger for at begrænse strømmen, og spændingen mellem de positive og negative poler reduceres til en sikker spænding for at realisere den automatiske batteribeskyttelse. 2) Eksplosionssikker ventil: Når batteriet er for stort på grund af unormalt, er den eksplosionssikre ventil deformeret, som vil blive placeret inde i batteriet, der skal tilsluttes, stop opladningen.

3) Elektronik: 2 ~ 4 batteripakker kan udsmykke det elektroniske kredsløbsdesign lithium-ion-beskytter, forhindre overopladning og overafladning, forhindre sikkerhedsulykker, forlænge batteriets levetid. Selvfølgelig har disse eksterne kontrolmetoder en vis effekt, men disse ekstra enheder har tilføjet batteriets kompleksitet og produktionsomkostninger, og de kan ikke helt løse problemet med batterisikkerhed. Derfor er det nødvendigt at etablere en indre sikkerhedsbeskyttelsesmekanisme.

2.2 Forbedring af elektrolyt-elektrolyt-elektrolyt som et lithium-ion-batteri, elektrolyttens art bestemmer direkte batteriets ydeevne, batteriets kapacitet, driftstemperaturområdet, cyklusydelsen og sikkerhedsydelsen er vigtige. På nuværende tidspunkt, kommercielle lithium-ion batteri elektrolytiske opløsning systemer, den mest udbredte sammensætning er LIPF6, vinylcarbonat og lineært carbonat.

Fronten er en uundværlig ingrediens, og deres brug har også nogle begrænsninger i forhold til batteriets ydeevne. Samtidig bruges en stor mængde lavtkogende, lavt flammepunkt af carbonatopløsningsmiddel i elektrolytten, som vil være ved lavere temperaturer. Flash, der er en stor sikkerhedsrisiko.

Derfor forsøger mange forskere at forbedre elektrolytsystemet for at forbedre elektrolytternes sikkerhed. I det tilfælde, hvor batteriets hovedlegememateriale (inklusive elektrodematerialet, membranmaterialet, elektrolytmaterialet) ikke ændres i løbet af kort tid, er elektrolyttens stabilitet en vigtig måde at øge sikkerheden ved lithiumionbatterier. 2.

2.1 Funktionel additiv funktion additiver har mindre dosering, målrettet funktion. Det vil sige, at det kan forbedre visse makroskopiske ydeevne af batteriet væsentligt uden at ændre produktionsprocessen uden at ændre eller i det væsentlige ingen nye batteriomkostninger.

Derfor er funktionsadditiver blevet et hot spot i nutidens lithium-ion-batteri, som er en af ​​de mest lovende veje, der i øjeblikket er den mest lovende patogene opløsning af lithium-ion-batterielektrolyt. Den grundlæggende anvendelse af additivet er at forhindre, at batteritemperaturen bliver for høj, og at batterispændingen er begrænset til kontrolområdet. Derfor betragtes additivets design også ud fra temperatur- og ladepotentialets perspektiv.

Flammehæmmende additiv: Det flammehæmmende additiv kan også opdeles i organiske fosfor flammehæmmende additiver, et nitrogenholdigt sammensat flammehæmmende additiv, et siliciumbaseret flammehæmmende additiv og et sammensat flammehæmmende additiv. 5 vigtige kategorier. Organisk phosphorescell-flammehæmmer: Vigtigt omfatter nogle alkylphosphat-, alkylphosphit-, fluorerede fosfat- og fosfatnitrilforbindelser.

Den flammehæmmende mekanisme er vigtig for kædereaktionen af ​​flammehæmmende molekyler, der interfererer med frie radikaler af brint, også kendt som frie radikaler indfangningsmekanisme. Additiv forgasningsnedbrydning frigiver phosphorholdige frie radikaler, de frie radikalers evne til at afslutte en kædereaktion. Fosfat flammehæmmer: Vigtigt fosfat, triethylfosfat (TEP), tributylfosfat (TBP) osv.

Fosfatnitrilforbindelse såsom hexamethylphosphazen (HMPN), alkylphosphit såsom trimethylphosphit (TMPI), 3-(2,2,2-trifluorethyl), phosphit (TT-FP), fluoreret syreester, såsom 3-(2,2,2-trifluorethyl)phosphat (TFP), di-(2,2,2-trifluorethyl)-methylphosphat (BMP), (2,2,2-trifluorethyl)-diethylphosphat (TDP), phenylphosphat (DPOF) osv. er et godt flammehæmmende additiv. Fosfaten har typisk en relativt høj viskositet, dårlig elektrokemisk stabilitet, og tilsætningen af ​​flammehæmmeren har også en negativ effekt på elektrolyttens ionledningsevne og elektrolyttens cirkulationsreversibilitet, samtidig med at elektrolyttens brydningsevne øges.

Det er generelt: 1 kulstofindhold af nye alkylgrupper; 2 aromatisk (phenyl)gruppedel substitueret alkylgruppe; 3 danner fosfat med cyklisk struktur. Organisk halogeneret materiale (halogeneret opløsningsmiddel): organisk halogen flammehæmmer er vigtigt for influenza influenza influenza. Efter at H er erstattet af F, har dens fysiske egenskaber ændret sig, såsom fald i smeltepunkt, fald i viskositet, forbedring af kemisk og elektrokemisk stabilitet osv.

Den organiske halogeniske flammehæmmer er vigtig for at inkludere fluorcykliske carbonater, fluorkædecarbonater og alkylperfluordecanether osv. OHMI og andre sammenlignelige fluorethylether, fluorholdige fluorforbindelser viste, at tilsætningen af ​​33,3% (volumenfraktion) 0.

67 mol / lliclo4 / Ec + DEC + PC (volumenforhold 1: 1: 1) elektrolyt har et højere flammepunkt, reduktionspotentialet er højere end det organiske opløsningsmiddel EC, DEC og PC, som hurtigt kan danne en SEI-film på overfladen af ​​den naturlige grafit, forbedre den første opladning og udledning af Cullens effektivitet og udledningskapacitet. Fluoridet i sig selv har ikke brugen af ​​den frie radikal-fangende funktion af flammehæmmeren beskrevet ovenfor, kun til at fortynde højflygtige og brandfarlige hjælpeopløsningsmidler, så kun volumenforholdet i elektrolytten er for det meste (70%) Når elektrolytten ikke er brandfarlig. Sammensat flammehæmmer: Den sammensatte flammehæmmer, der i øjeblikket anvendes i elektrolytten, har en PF-forbindelse og en NP-klasse-forbindelse, repræsentative stoffer har et vigtigt hexamethylphosphorid (HMPA), fluorfosfat osv.

Flammehæmmende middel udøver flammehæmmende effekt ved synergistisk brug af to flammehæmmende elementer. FEI et al. Foreslår to NP-flammehæmmere MEEP og MEE, og dens molekylære formel er vist i figur 1.

Licf3SO3 / MeEP :PC = 25:75, elektrolytten kan reducere brændbarheden på 90%, og ledningsevnen kan nå 2,5 × 10-3S / cm. 2) Overopladet additiv: En række reaktioner opstår, når lithium-ion-batteriet er overopladet.

Elektrolytkomponenten (vigtig er opløsningsmidlet), der invererer overfladen af ​​oxidative nedbrydningsreaktioner i overfladen af ​​den positive elektrode, gassen genereres, og mængden af ​​varme frigives, hvilket resulterer i stigningen i det indre tryk af batteriet og temperaturstigningen, og batteriets sikkerhed er alvorligt påvirket. Fra formålsmekanismen er overchaul-beskyttelsesadditivet vigtigt for den oxidative stripningseffekt-type og to typer elektrisk polymerisationstype. Fra typen af ​​additiv kan det opdeles i lithiumhalogenid, metallocenforbindelse.

På nuværende tidspunkt er en overkalket yderligere yderligere adaprase (BP) og cyclohexylbenzen (CHB) på redox-anti-overchard-additiver princippet, når ladespændingen overstiger den normale cutoff-spænding, begynder additivet ved den positive elektrode. Oxidationsreaktionen, oxidationsproduktet diffunderer til den negative elektrode, og reduktionsreaktionen finder sted. Oxidation er lukket mellem de positive og negative poler, absorberer overskydende ladning.

Dets repræsentative stoffer har et ferrocen og dets derivat, ferrid 2,2-pyridin og et kompleks af 1,10-tilstødende glenolin, thiolderivat. Polymerisationsblok antifyldt additiv. Repræsentative stoffer omfatter cyclohexylbenzen, biphenyl og andre stoffer.

Når biphenylen bruges som et forudopladet additiv, når spændingen når 4,5 til 4,7V, polymeriseres den tilsatte biphenyl elektrokemisk, der danner et lag af ledende film på overfladen af ​​den positive elektrode, hvilket øger batteriets indre modstand, og derved begrænser ladestrømbeskyttelsesbatteriet.

2.2.2 Ion flydende ion flydende elektrolyt er fuldstændig sammensat af yin og kation.

Da de indre ioner eller kationiske volumener er svage, er mellemproduktet svagt, elektronfordelingen er ujævn, og til-censunen kan frit bevæge sig ved stuetemperatur, som er flydende. Det kan opdeles i imidazol, pyrazol, pyridin, kvaternært ammoniumsalt osv. Sammenlignet med det almindelige organiske opløsningsmiddel af lithium-ion-batterier har ioniske væsker 5 fordele: 1 høj termisk stabilitet, 200 ° C kan ikke nedbrydes; 2 damptryk er næsten 0, behøver ikke at bekymre dig om batteriet; 3 ionisk væske er ikke let at forbrænde Ingen ætsning; 4 har en høj elektrisk ledningsevne; 5 kemisk eller elektrokemisk stabilitet er god.

AN eller lignende danner PP13TFSI og 1Mollipf6ec / Dec (1: 1) til en elektrolyt, som kan opnå fuldstændig ikke-brændstof effekter, og tilføje 2 vægt% liboB additiv i dette system for at forbedre grænsefladekompatibiliteten markant. Det eneste problem, der skal løses, er ionens ledningsevne i elektrolytsystemet. 2.

2.3 Valg af termisk stabilitet af lithiumsalt hexafluorphosphat (LiPF6) er et meget brugt elektrolytlithiumsalt i et almindeligt lithium-ion-batteri. Selvom dens enkeltnatur ikke er optimal, er dens samlede ydeevne den mest fordelagtige.

LiPF6 har dog også sin ulempe, for eksempel er LiPF6 kemisk og termodynamisk ustabil, og reaktionen sker: LIPF (6S) → LIF (S) + PF (5G), den reaktion, der genereres PF5, er let at angribe det organiske opløsningsmiddel i oxygenatomet Ensomt for elektroner, hvilket resulterer i den åbne sløjfe-reaktion er den alvorlige, høje opløsningsmiddel-reaktion af æter- og etherbindinger. Aktuel forskning i højtemperaturelektrolytsalte er koncentreret i organiske lithiumsaltfelter. Repræsentative stoffer er vigtige med borbaserede salte, iminbaserede lithiumsalte.

LIB (C2O4) 2 (liboB) er et nyligt syntetiseret elektrolytsalt i de senere år. Det har mange fremragende egenskaber, nedbrydningstemperaturer 302 ° C, kan danne en stabil SEI-film i en negativ elektrode. Forbedre ydeevnen af ​​grafit i den PC-baserede elektrolytiske opløsning, men dens viskositet er stor, impedansen af ​​den dannede SEI-film [14].

Nedbrydningstemperaturen af ​​LIN (SO2CF3) 2 (Litfsi) er 360 ° C, og ionledningsevnen ved normal temperatur er lidt lavere end LiPF6. Den elektrokemiske stabilitet er god, og oxidationspotentialet er ca. 5,0V, hvilket er det mest organiske lithiumsalt, men det Alvorlig korrosion af Al-basehærdende væske.

2.2.4 Polymerelektrolyt Mange almindelige lithium-ion-batterier bruger brændbare og flygtige carbonatopløsningsmidler, hvis en lækage kan forårsage brand.

Dette er især det kraftige lithium-ion-batteri med høj kapacitet, høj energitæthed. I stedet for at bruge skrupelløse polymerelektrolytter i stedet for brændbare organiske flydende elektrolytter, kan det forbedre sikkerheden ved lithium-ion-batterier markant. Forskningen i polymerelektrolyt, især gel-type polymerelektrolyt, har gjort store fremskridt.

På nuværende tidspunkt er det med succes blevet brugt i kommercielle lithium-ion-batterier. I henhold til klassificeringen af ​​polymerlegemet er gelpolymerelektrolytten vigtig med følgende tre kategorier: PAN-baseret polymerelektrolyt, PMMA-polymerelektrolyt, PVDF-baseret polymerelektrolyt. Imidlertid er gel-type polymerelektrolyt faktisk et resultat af et kompromis mellem en tør polymerelektrolyt og et flydende elektrolytkompromis, og gel-type polymerbatterier har stadig meget arbejde at gøre.

2.3 Det positive materiale kan bestemme, at det positive elektrodemateriale er ustabilt, når ladetilstandsspændingen er over 4V, og det er let at generere en varme opløst i høje temperaturer for at nedbryde oxygen, oxygen og organiske opløsningsmidler fortsætter med at reagere en stor mængde varme og andre gasser, reducerer batteriets sikkerhed [2, 17-19]. Derfor anses reaktionen mellem den positive elektrode og elektrolytten for at være en vigtig årsag til varme.

Med hensyn til det normale materiale, forbedre den almindelige metode til dets sikkerhed er belægningsmodifikation. Til overfladebelægning af det positive elektrodemateriale med MgO, kan A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 osv. reducere reaktionen af ​​Die +-bagsiden positiv og elektrolyt, mens kromatografien af ​​den positive elektrode reduceres, hvilket hæmmer faseændringen af ​​det positive elektrodestof.

Forbedre dens strukturelle stabilitet, reducere uordensbestandigheden af ​​kation i gitteret, og derved reducere den sekundære reaktion af cirkulationsprocessen. 2.4 Kulstofmateriale bruger i øjeblikket et lavt specifikt overfladeareal, en højere ladnings- og udledningsplatform, en lille lade- og udledningsplatform, en relativt høj termisk stabilitet, en relativt god termisk tilstand, en relativt høj termostabilitet, en relativt høj termostabilitet, en relativt høj termostabilitet.

Såsom mellemfase kulstofmikrokugler (MCMB) eller Li9Ti5o12 med spinelstruktur, hvilket er bedre end den strukturelle stabilitet af lamineret grafit [20]. Metoden til i øjeblikket at forbedre ydeevnen af ​​carbonmateriale er vigtig for overfladebehandling (overfladeoxidation, overfladehalogenering, carbonbeklædning, belægning af metal, metaloxid, polymerbelægning) eller indførelse af metal- eller ikke-metallisk doping. 2.

5 Den membran, der i øjeblikket anvendes i kommercielle lithium-ion-batterier, er stadig et polyolefinmateriale, og dets vigtige ulemper er varme, og elektrolytisk væskeinfiltration er dårlig. For at overvinde disse defekter har forskerne forsøgt mange måder, såsom at lede efter termiske stabilitetsmaterialer eller tilføje en lille mængde Al2O3 eller SiO2 nanopowdia, som ikke kun har en fælles membran, men også har en termisk stabilitet af det positive elektrodemateriale. bruge.

MIAO et al, polyimid nano nonwoven fremstilling fremstillet ved elektrostatisk spinding metode. DR- og TGA-lignende karakteriseringsmidler viser, at den ikke kun kan opretholde termisk stabilitet ved 500 ° C, men også har bedre elektrolytinfiltration i forhold til CELGARD-membranen. WANG et al fremstillede AL2O3-PVDF nanoskopisk mikroporøs membran, som udviser gode elektrokemiske egenskaber og termisk stabilitet, der tilfredsstiller brugen af ​​lithium-ion batteriseparatorer.

3 Sammenfatning og se frem til lithium-ion-batterier til elektriske køretøjer og energilagring, som er meget større end småt elektronisk udstyr, og brugsmiljøet er mere kompliceret. Sammenfattende kan vi se, at dets sikkerhed er langt fra at løse, og er blevet den nuværende tekniske flaskehals. Efterfølgende arbejde bør være i dybden med den termiske effekt, som batteriet kan resultere i efter unormal drift, og finde en effektiv måde at forbedre sikkerhedsydelsen for lithium-ion-batterier.

På nuværende tidspunkt er brugen af ​​fluorholdige opløsningsmidler og flammehæmmende additiver en vigtig retning for udvikling af et lithium-ion-batteri af sikkerhedstypen. Hvordan man balancerer elektrokemisk ydeevne og højtemperatursikkerhed, vil være fremtidig forskningsfokus. For eksempel udvikles et højtydende komposit flammehæmmende integreret integreret sæt P, N, F og CL, og der udvikles et organisk opløsningsmiddel med et højt kogepunkt, et højt flammepunkt, og en elektrolytisk opløsning med høj sikkerhedsydelse produceres.

Sammensatte flammehæmmere, dobbeltfunktionsadditiver vil også blive fremtidige udviklingstendenser. Med hensyn til lithium-ion-batterielektrodematerialet er materialets overfladekemiske egenskaber forskellige, graden af ​​følsomhed af elektrodematerialet på ladnings- og afladningspotentialet er inkonsekvent, og det er umuligt at bruge en eller begrænset flere elektrode / elektrolyt / additiver til alle batterikonstruktioner. Derfor bør vi i fremtiden fokusere på at udvikle forskellige batterisystemer til specifikke elektrodematerialer.

Samtidig er det også ved at udvikle et polymer lithium-ion batterisystem med høj sikkerhed eller udvikling af uorganisk fast elektrolyt med enkelt kation ledende og hurtig iontransport og høj termostabilitet. Derudover er forbedring af ionisk væskeydelse, udvikling af simple og billige syntetiske systemer også en vigtig del af den fremtidige forskning.