Wie kontrolliert man den Wärmeverlust von Lithium-Ionen-Batterien?

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1. Elektrolytische flüssige Flammschutzmittel sind eine sehr wirksame Methode, um die Temperaturschwankungen einer Batterie zu verringern. Allerdings haben diese Flammschutzmittel oft gravierende Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien, sodass ihre tatsächliche Anwendung schwierig ist. Um dieses Problem zu lösen, hat das Yuqiao-Team aus Shengxiao, Kalifornien, China [1] den Flammschutz DBA (Dibenzylamin) im Inneren der Mikrokapseln in der Kapselverpackung gelagert und im Elektrolyten dispergiert. Dadurch werden die elektrischen Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterie nicht beeinträchtigt. Wenn die Batterie durch Extrusion zerstört wird, wird der Flammschutz in diesen Kapseln freigesetzt, was zu einem Batterieausfall und somit zu Wärmeverlust führt.

Das Yuqiao-Team [2] aus dem Jahr 2018 nutzte erneut die oben beschriebene Technik. Als Flammschutzmittel wurden Ethylenglykol und Ethylendiamin verwendet. Der interne Anteil der in die Lithium-Ionen-Batterie geladenen Lithium-Ionen-Batterie sank im Akupunkturtest um 70 %. Das Risiko eines thermischen Überhitzungsverlusts von Lithium-Ionen-Akkus wird deutlich reduziert. Der oben beschriebene Weg ist selbstzerstörerisch, das heißt, wenn der Flammschutz aufgebraucht ist, wird die gesamte Lithium-Ionen-Batterie verschrottet. Das Atsuoyamada-Team der Universität Tokio in Japan [3] hat einen flammhemmenden Elektrolyten entwickelt, der die Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie aufweist. Die Elektrolytlösung verwendet hohe Konzentrationen von NaN(SO2F)2 (NAFSA) oder NaN(SO2F)2 (LIFSA) als Lithiumsalz und fügt einen üblichen Flammschutz hinzu.

Der Ester TMP erhöht die thermische Stabilität des Lithium-Ionen-Akkus deutlich und macht ihn leistungsfähiger. Die Zugabe des Flammschutzmittels beeinträchtigt die Zyklusleistung der Lithium-Ionen-Batterie nicht, und die Batterie nimmt den Elektrolyten an, der stabil mehr als 1000 Mal (C/5) bzw. 1200 Mal im Kreislauf zirkulieren kann, die Kapazitätserhaltungsrate beträgt 95 %). Durch die Zugabe von Additiven erhält die Lithium-Ionen-Batterie eine flammhemmende Eigenschaft. Dies ist eine Möglichkeit, den Wärmeverlust der Lithium-Ionen-Batterie zu reduzieren. Manche Leute versuchen auch, Kurzschlüsse in der Lithium-Ionen-Batterie von der Wurzel her zu verhindern und so den Zweck zu erreichen, dass die Wärme am Boden des Kessels außer Kontrolle gerät.

Bei dynamischen Lithium-Ionen-Akkus kann es im Gebrauch zu heftigen Stößen kommen. Gabrielm.veith vom Oak Ridge National Laboratory in den USA hat einen Elektrolyten mit Scherverdickungseigenschaften entwickelt [4]. Der Elektrolyt ist durch die Eigenschaft einer nicht-newtonschen Flüssigkeit gekennzeichnet. Im Normalzustand ist der Elektrolyt flüssig, bei einem plötzlichen Aufprall nimmt er jedoch einen festen Zustand an und wird ungewöhnlich widerstandsfähig, sodass er sogar eine kugelsichere Wirkung erzielen kann. Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht bei Kollisionen aufgrund der Überhitzung der Batterie ein Kurzschlussrisiko.

2. Batteriestruktur Als Nächstes werden wir sehen, wie die Wärme außer Kontrolle gerät. Bei aktuellen Lithium-Ionen-Batterien wird derzeit das Problem der außer Kontrolle geratenen Wärme im Strukturdesign berücksichtigt, beispielsweise bei der 18650-Batterie. In der Abdeckung befindet sich ein Überdruckventil, das bei unkontrollierter Hitze rechtzeitig entlastet werden kann. In der oberen Abdeckung der zweiten Batterie befindet sich ein Material mit positivem Temperaturkoeffizienten.

Der elektrische Widerstand des PTC-Materials erhöht sich während des Wärmeverlusttemperaturanstiegs deutlich. Groß, um die Stromreduzierung zu verringern. Darüber hinaus muss bei der Konstruktion der Zellstruktur auf Kurzschlüsse zwischen den positiven und negativen Elektroden geachtet werden. Fehler können zu Fehlfunktionen führen und übermäßige Metallgegenstände können einen Kurzschluss in der Batterie verursachen, was wiederum zu Sicherheitsunfällen führen kann.

Zweitens wird bei der Entwicklung von Batterien eine Membran mit höherer Sicherheit verwendet, beispielsweise eine dreischichtige Verbundmembran mit automatischem Wechsel bei hohen Temperaturen. In den letzten Jahren wurde jedoch mit der kontinuierlichen Verbesserung der Energiedichte von Batterien die dreischichtige Verbundmembran schrittweise von der Membran mit Keramikbeschichtung verdrängt. Die Keramikbeschichtung kann nun zur Unterstützung der Membran verwendet werden, wodurch die Schrumpfung des Separators bei hohen Temperaturen verringert, die Wärmestabilität der Lithium-Ionen-Batterie verbessert und das Risiko einer thermischen Unkontrollierbarkeit der Lithium-Ionen-Batterie verringert wird. 3. Hitzeschutzdesign des Batteriepacks Die Lithium-Ionen-Batterie besteht oft aus Dutzenden, Hunderten oder sogar Tausenden parallel geschalteten Batterien, wie beispielsweise die Batteriepacks der Tesla-Modelle.

Bei mehr als 7.000 18650-Batterien kann sich die Wärme, wenn sie bei einer dieser Batterien außer Kontrolle gerät, im gesamten Batteriesatz ausbreiten und schwerwiegende Folgen haben. So wurde beispielsweise im Januar 2013 in einer Untersuchung der US-amerikanischen National Transport Safety Commission ein japanisches Unternehmen aus Boston mit der Begründung zitiert, dass sein Akkupack eine quadratische 75-Ah-Lithium-Ionen-Batterie enthielt. Nachdem die Hitze der angrenzenden Batterien außer Kontrolle geraten ist, ergreift Boeing Maßnahmen, um eine Hitzevermeidung bei allen Batteriepaketen zu verhindern.

Um thermische Überhitzung im Inneren der Lithium-Ionen-Batterie zu verhindern, hat die US-amerikanische Firma AllCelltechnology ein Isolationsmaterial für thermische Überhitzung von Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von Phasenwechselmaterialien entwickelt [5]. Das PCC-Material wird zwischen die Monomer-Lithium-Ionen-Batterie gefüllt, und wenn der Lithium-Ionen-Batteriesatz normal ist, kann die Wärme des Batteriesatzes schnell durch das PCC-Material auf den Batteriesatz übertragen werden, und das PCC-Material befindet sich in der Lithium-Ionen-Batterie. Es kann durch das darin enthaltene Paraffinmaterial geschmolzen werden und absorbiert dadurch eine große Menge Wärme. Dadurch wird ein weiterer Temperaturanstieg der Batterie verhindert und die Hitze im Batteriepack bleibt erhalten.

Im Akupunkturtest wurde ein Akkupack aus 18650-Batterien verpackt. Wenn kein PCC-Material vorhanden war, führte eine thermische Überlastung der Batterie schließlich dazu, dass 20 Batterien im Akkupack verwendet wurden und PCC-Materialien verwendet wurden. Wenn im Akkupack die Temperatur der Batterie außer Kontrolle gerät, werden andere Akkupacks nicht ausgelöst. .