Kemajuan dalam penelitian tentang kehilangan termal saat pengisian baterai lithium

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - ପୋର୍ଟେବଲ୍ ପାୱାର ଷ୍ଟେସନ୍ ଯୋଗାଣକାରୀ

Abstrak: Ringkasan kemajuan terbaru dan prospek pengembangan untuk penelitian baterai lithium-ion keamanan tinggi. Penting dari stabilitas suhu tinggi elektrolit dan elektroda, penyebab ketidakstabilan termal baterai ion litium dan mekanismenya telah memperjelas bahwa sistem baterai ion litium komersial yang ada tidak memadai pada suhu tinggi, mengusulkan untuk mengembangkan elektrolit suhu tinggi, modifikasi positif dan negatif dan manajemen baterai eksternal, dll. untuk merancang baterai lithium-ion dengan keamanan tinggi.

Prospek pengembangan prospek teknis pengembangan baterai lithium-ion yang aman. 0 Pendahuluan Baterai ion litium menjadi representasi khas jenis energi baru karena biayanya yang rendah, kinerjanya yang tinggi, dayanya yang tinggi, dan lingkungannya yang hijau, banyak digunakan dalam produk digital 3C, daya bergerak, dan peralatan listrik. Dalam beberapa tahun terakhir, akibat meningkatnya polusi lingkungan dan arahan kebijakan nasional, permintaan baterai lithium-ion di pasar kendaraan listrik berbasis kendaraan listrik telah meningkat. Dalam proses pengembangan sistem baterai lithium-ion berdaya tinggi, masalah keamanan baterai telah menarik perhatian yang luas. Masalah yang ada perlu segera dipecahkan lebih lanjut.

Perubahan suhu sistem baterai ditentukan oleh munculnya panas dan didistribusikan dua faktor. Terjadinya panas pada baterai ion litium penting disebabkan oleh reaksi antara dekomposisi termal dan bahan baterai. Mengurangi panas sistem baterai dan meningkatkan sistem kinerja anti-suhu tinggi, sistem baterai aman.

Dan peralatan portabel kecil seperti ponsel, kapasitas baterai laptop umumnya kurang dari 2AH, dan kapasitas baterai lithium-ion tipe daya yang digunakan dalam kendaraan listrik umumnya lebih besar dari 10ah, dan suhu lokal seringkali lebih tinggi dari 55 ° C selama operasi normal, dan suhu internal akan mencapai 300 ° C, Di bawah suhu tinggi atau kondisi pengisian dan pengosongan laju besar, kenaikan panas dan suhu pelarut organik yang mudah terbakar akan menyebabkan serangkaian reaksi samping, yang akhirnya menyebabkan termal di luar kendali dan pembakaran atau ledakan baterai [3]. Selain faktor respon kimianya sendiri, beberapa orang mengalami korsleting yang disebabkan oleh panas berlebih, menyalip, dan benturan mekanis, beberapa faktor buatan juga dapat menyebabkan terjadinya baterai lithium-ion hingga menimbulkan kecelakaan keselamatan. Oleh karena itu, penting untuk mempelajari dan meningkatkan kinerja suhu tinggi baterai lithium-ion.

1. Analisis penyebab termal di luar kendali Analisis penyebab termal di luar kendali baterai lithium-ion penting karena suhu internal baterai meningkat. Saat ini, sistem elektrolit yang paling banyak digunakan dalam baterai lithium-ion komersial adalah larutan karbonat campuran LiPF6. Pelarut tersebut memiliki volatilitas tinggi, titik nyala rendah, dan sangat mudah terbakar.

Bila terjadi hubungan arus pendek internal akibat benturan atau deformasi, laju pengisian dan pengosongan yang besar serta menyalip, akan timbul banyak panas, sehingga mengakibatkan peningkatan suhu baterai. Ketika mencapai suhu tertentu, serangkaian reaksi dekomposisi akan menyebabkan keseimbangan termal baterai rusak. Bila panas yang dilepaskan oleh reaksi kimia ini tidak dapat dikeluarkan tepat waktu, hal itu akan memperparah jalannya reaksi dan memicu serangkaian reaksi sampingan yang bersifat pemanasan sendiri.

Suhu baterai meningkat tajam, yaitu "kelelahan termal yang tak terkendali", yang pada akhirnya mengakibatkan baterai terbakar, bahkan terjadi ledakan serius. Secara umum, penyebab tidak terkendalinya termal baterai lithium-ion adalah ketidakstabilan termal elektrolit, serta ketidakstabilan termal elektrolit dan koeksistensi elektroda positif dan negatif. Saat ini, dari aspek yang luas, keselamatan baterai lithium-ion penting dari manajemen eksternal dan desain internal untuk mengendalikan suhu internal, tegangan, dan tekanan udara guna mencapai tujuan keselamatan.

2. Atasi strategi termal di luar kendali 2. Manajemen eksternal 1) Komponen PTC (koefisien suhu positif): Pasang komponen PTC dalam baterai ion litium, yang mempertimbangkan tekanan dan suhu di dalam baterai, dan ketika baterai menjadi hangat karena pengisian berlebih, baterai akan 10 Resistansi meningkat untuk membatasi arus, dan tegangan antara kutub positif dan negatif dikurangi ke tegangan aman untuk mewujudkan fungsi perlindungan otomatis baterai. 2) Katup anti-ledakan: Ketika baterai terlalu besar karena abnormal, katup anti-ledakan berubah bentuk, yang akan ditempatkan di dalam baterai untuk dihubungkan, menghentikan pengisian daya.

3) Elektronik: 2 ~ 4 paket baterai dapat menyempurnakan desain sirkuit elektronik pelindung ion litium, mencegah pengisian daya berlebih dan pengosongan daya berlebih, mencegah kecelakaan keselamatan, memperpanjang masa pakai baterai. Tentu saja, metode kontrol eksternal ini memiliki efek tertentu, tetapi perangkat tambahan ini telah menambah kompleksitas dan biaya produksi baterai, dan tidak dapat sepenuhnya menyelesaikan masalah keamanan baterai. Oleh karena itu, perlu dibangun suatu mekanisme perlindungan keselamatan intrinsik.

2.2 Meningkatkan elektrolit elektrolit elektrolit sebagai baterai ion litium, sifat elektrolit secara langsung menentukan kinerja baterai, kapasitas baterai, kisaran suhu pengoperasian, kinerja siklus, dan kinerja keselamatan adalah penting. Saat ini, sistem larutan elektrolit baterai lithium-ion komersial, komposisi yang paling banyak digunakan adalah LIPF6, vinil karbonat, dan karbonat linier.

Bagian depan merupakan bahan yang sangat diperlukan, dan penggunaannya pun memiliki beberapa keterbatasan dalam hal kinerja baterai. Pada saat yang sama, sejumlah besar pelarut karbonat dengan titik didih rendah dan titik nyala rendah digunakan dalam elektrolit, yang akan berada pada suhu lebih rendah. Flash, ada bahaya keselamatan yang besar.

Oleh karena itu, banyak peneliti mencoba memperbaiki sistem elektrolit untuk meningkatkan kinerja keselamatan elektrolit. Dalam kasus di mana bahan badan utama baterai (termasuk bahan elektroda, bahan diafragma, bahan elektrolit) tidak berubah dalam waktu singkat, stabilitas elektrolit merupakan cara penting untuk meningkatkan keamanan baterai ion litium. 2.

2.1 Aditif fungsional Aditif fungsi memiliki dosis lebih sedikit, fitur yang ditargetkan. Artinya, hal ini dapat meningkatkan kinerja makroskopis baterai tertentu secara signifikan tanpa mengubah proses produksi, tanpa mengubah atau secara substansial tanpa biaya baterai baru.

Oleh karena itu, aditif fungsi telah menjadi titik panas dalam baterai litium-ion saat ini, yang merupakan salah satu jalur paling menjanjikan yang saat ini merupakan solusi patogen paling menjanjikan dari elektrolit baterai litium-ion. Penggunaan dasar aditif adalah untuk mencegah suhu baterai menjadi terlalu tinggi dan tegangan baterai dibatasi pada rentang kendali. Oleh karena itu, desain aditif juga dipertimbangkan dari perspektif suhu dan potensi pengisian.

Aditif penghambat api: Aditif penghambat api juga dapat dibagi menjadi aditif penghambat api fosfor organik, aditif penghambat api senyawa yang mengandung nitrogen, aditif penghambat api berbasis silikon, dan aditif penghambat api komposit. 5 kategori penting. Fosfor organik penghambat api sel: Penting meliputi beberapa senyawa alkil fosfat, alkil fosfit, fosfat terfluorinasi, dan fosfat nitril.

Mekanisme penghambat api penting bagi reaksi berantai molekul penghambat api yang mengganggu radikal bebas hidrogen, yang juga dikenal sebagai mekanisme penangkapan radikal bebas. Dekomposisi gasifikasi aditif melepaskan radikal bebas yang mengandung fosfor, kemampuan radikal bebas untuk menghentikan reaksi berantai. Penghambat api fosfat: Fosfat penting, trietil fosfat (TEP), tributil fosfat (TBP), dll.

Senyawa nitril fosfat seperti heksametil fosfazena (HMPN), alkil fosfit seperti trimetil fosfit (TMPI), tiga - (2,2,2-trifluoroetil), fosfit (TT-FP), ester asam terfluorinasi, seperti tiga- (2,2,2-trifluoroetil) fosfat (TFP), di- (2,2,2-trifluoroetil) - metil fosfat (BMP), (2,2,2-trifluoroetil) - dietil fosfat (TDP), fenilfosfat (DPOF), dll. adalah aditif penghambat api yang baik. Fosfat biasanya memiliki viskositas yang relatif besar, stabilitas elektrokimia yang buruk, dan penambahan penghambat api juga memiliki efek negatif pada konduktivitas ionik elektrolit dan reversibilitas sirkulasi elektrolit sambil meningkatkan refraktifitas elektrolit.

Secara umum: 1 kandungan karbon gugus alkil baru; 2 gugus aromatik (fenil) yang menggantikan gugus alkil; 3 membentuk struktur siklik fosfat. Bahan halogenasi organik (pelarut terhalogenasi): penghambat api halogenasi organik penting untuk flu flu flu flu. Setelah H digantikan oleh F, sifat fisiknya berubah, seperti penurunan titik leleh, penurunan viskositas, peningkatan stabilitas kimia dan elektrokimia, dll.

Penghambat api halogenik organik yang penting meliputi karbonat fluorosiklik, karbonat rantai fluoro, dan eter alkil-perfluorodekana, dll. OHMI dan fluororetil eter komparatif lainnya, senyawa fluorida yang mengandung fluorida menunjukkan bahwa penambahan 33,3% (fraksi volume) 0.

67 mol / lliclo4 / Ec + DEC + PC (rasio volume 1: 1: 1) elektrolit memiliki titik nyala yang lebih tinggi, potensi reduksi lebih tinggi daripada pelarut organik EC, DEC dan PC, yang dapat dengan cepat membentuk film SEI pada permukaan grafit alami, meningkatkan pengisian pertama dan pengosongan efisiensi Cullen dan kapasitas pengosongan. Fluorida sendiri tidak mempunyai kegunaan fungsi penangkapan radikal bebas dari penghambat api yang diuraikan di atas, hanya untuk mengencerkan pelarut bersama yang sangat mudah menguap dan mudah terbakar, sehingga hanya rasio volume dalam elektrolit sebagian besar (70%) ketika elektrolit tidak mudah terbakar. Penghambat api komposit: Penghambat api komposit yang saat ini digunakan dalam elektrolit memiliki senyawa PF dan senyawa kelas NP, zat representatifnya memiliki heksametilfosforida (HMPA), fluorofosfat, dll.

Penghambat api memberikan efek penghambat api melalui penggunaan sinergis dua elemen penghambat api. FEI dan kawan-kawan. Mengusulkan dua zat penghambat api NP MEEP dan MEE, dan rumus molekulnya ditunjukkan pada Gambar 1.

Licf3SO3 / MeEP :PC = 25:75, elektrolit dapat mengurangi sifat mudah terbakar hingga 90%, dan konduktivitas dapat mencapai 2,5 × 10-3S / cm. 2) Aditif yang terisi daya berlebih: Serangkaian reaksi terjadi saat baterai lithium-ion terisi daya berlebih.

Komponen elektrolit (yang penting adalah pelarut) yang melintasi permukaan reaksi dekomposisi oksidatif di permukaan elektroda positif, gas dihasilkan dan sejumlah panas dilepaskan, sehingga mengakibatkan peningkatan tekanan internal baterai dan kenaikan suhu, dan keamanan baterai sangat terpengaruh. Dari mekanisme tujuan, aditif perlindungan overhaul penting untuk jenis daya pengupasan oksidatif dan dua jenis polimerisasi listrik. Dari jenis aditifnya, dapat dibedakan menjadi litium halida, senyawa metalosena.

Saat ini, penambahan tambahan adaprase (BP) dan sikloheksilbenzena (CHB) yang berlebihan pada aditif anti-overchard adalah prinsip ketika tegangan pengisian melebihi tegangan batas normal, aditif dimulai pada elektroda positif. Reaksi oksidasi, produk oksidasi berdifusi ke elektroda negatif, dan reaksi reduksi terjadi. Oksidasi tertutup antara kutub positif dan negatif, menyerap kelebihan muatan.

Zat representatifnya mempunyai ferosena dan turunannya, ferrid 2,2-piridina dan kompleks glenolina 1,10-berdekatan, turunan tiol. Aditif anti-pengisian blok polimerisasi. Zat-zat representatif meliputi sikloheksilbenzena, bifenil, dan zat-zat lainnya.

Ketika bifenil digunakan sebagai aditif pra-pengisian daya, ketika tegangan mencapai 4,5 hingga 4,7 V, bifenil yang ditambahkan dipolimerisasi secara elektrokimia, membentuk lapisan film konduktif pada permukaan elektroda positif, meningkatkan resistansi internal baterai, sehingga membatasi perlindungan arus pengisian baterai.

2.2.2 Ion cair Elektrolit ion cair seluruhnya terdiri dari yin dan kation.

Karena ion inter atau volume kationik lemah, zat antara lemah, distribusi elektron tidak merata, dan ion hidrogen dapat bebas bergerak pada suhu ruangan yang berwujud cair. Dapat dibagi menjadi imidazol, pirazol, piridina, garam amonium kuarterner, dll. Dibandingkan dengan pelarut organik biasa pada baterai ion litium, cairan ionik mempunyai 5 keunggulan: 1. Stabilitas termal tinggi, tidak dapat terurai pada suhu 200 °C. 2. Tekanan uap hampir 0, tidak perlu khawatir dengan baterai. 3. Cairan ionik tidak mudah terbakar, tidak bersifat korosif. 4. Konduktivitas listrik tinggi. 5. Stabilitas kimia atau elektrokimia baik.

AN atau sejenisnya membentuk PP13TFSI dan 1Mollipf6ec / Dec (1: 1) menjadi elektrolit, yang dapat mencapai efek non-bahan bakar sepenuhnya, dan menambahkan aditif liboB 2 wt% dalam sistem ini untuk meningkatkan kompatibilitas antarmuka secara signifikan. Satu-satunya masalah yang perlu dipecahkan adalah konduktivitas ion dalam sistem elektrolit. 2.

2.3 Memilih stabilitas termal garam litium heksafluorofosfat (LiPF6) merupakan garam litium elektrolit yang banyak digunakan dalam baterai litium-ion komoditas. Meskipun sifat tunggalnya tidak optimal, kinerja keseluruhannya adalah yang paling menguntungkan.

Namun, LiPF6 juga memiliki kekurangan, misalnya, LiPF6 bersifat tidak stabil secara kimia dan termodinamika, dan reaksinya terjadi: LIPF (6S) → LIF (S) + PF (5G), reaksi yang dihasilkan PF5 mudah menyerang pelarut organik dalam atom oksigen. Kesepian terhadap elektron, menghasilkan polimerisasi loop terbuka dan ikatan eter pelarut, reaksi ini sangat serius pada suhu tinggi. Penelitian terkini tentang garam elektrolit suhu tinggi difokuskan pada bidang garam litium organik. Zat-zat representatif penting adalah garam-garam berbahan dasar boron, garam-garam litium berbahan dasar imina.

LIB (C2O4) 2 (liboB) adalah garam elektrolit yang baru disintesis dalam beberapa tahun terakhir. Ia memiliki banyak sifat yang sangat baik, suhu penguraian 302 ° C, dapat membentuk film SEI yang stabil dalam elektroda negatif. Meningkatkan kinerja grafit dalam larutan elektrolit berbasis PC, namun viskositasnya besar, impedansi film SEI yang terbentuk [14].

Suhu dekomposisi LIN (SO2CF3) 2 (Litfsi) adalah 360 ° C, dan konduktivitas ion pada suhu normal sedikit lebih rendah daripada LiPF6. Stabilitas elektrokimianya baik, dan potensi oksidasinya sekitar 5,0V, yang merupakan garam litium paling organik, tetapi korosi serius pada cairan set dasar Al.

2.2.4 Elektrolit Polimer Banyak baterai ion litium komoditas menggunakan pelarut karbonat yang mudah terbakar dan mudah menguap, jika kebocoran dapat menyebabkan kebakaran.

Ini terutama baterai lithium-ion yang kuat, berkapasitas tinggi, dan memiliki kepadatan energi tinggi. Daripada menggunakan elektrolit polimer yang tidak ramah lingkungan sebagai pengganti elektrolit cair organik yang mudah terbakar, hal ini dapat meningkatkan keamanan baterai lithium-ion secara signifikan. Penelitian elektrolit polimer, khususnya elektrolit polimer tipe gel telah mengalami kemajuan pesat.

Saat ini, telah berhasil digunakan dalam baterai lithium-ion komersial. Menurut klasifikasi badan polimer, elektrolit polimer gel penting dengan tiga kategori berikut: elektrolit polimer berbasis PAN, elektrolit polimer PMMA, elektrolit polimer berbasis PVDF. Akan tetapi, elektrolit polimer tipe gel sebenarnya merupakan hasil kompromi antara elektrolit polimer kering dan elektrolit cair, dan baterai polimer tipe gel masih memiliki banyak pekerjaan yang harus dilakukan.

2.3 Bahan positif dapat menentukan bahwa bahan elektroda positif tidak stabil ketika tegangan status pengisian di atas 4V, dan mudah menghasilkan panas yang terlarut dalam suhu tinggi untuk menguraikan oksigen, oksigen dan pelarut organik terus bereaksi dengan sejumlah besar panas dan gas lainnya, mengurangi keamanan baterai [2, 17-19]. Oleh karena itu, reaksi elektroda positif dan elektrolit dianggap sebagai penyebab utama panas.

Mengenai material normal, meningkatkan metode umum keamanannya adalah modifikasi pelapisan. Untuk pelapisan permukaan bahan elektroda positif dengan MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2, dll., dapat mengurangi reaksi Die +-belakang positif dan elektrolit sambil mengurangi kromatografi elektroda positif, menghambat perubahan fase zat elektroda positif.

Meningkatkan stabilitas strukturalnya, mengurangi resistensi gangguan kation dalam kisi, sehingga mengurangi reaksi sekunder dari proses sirkulasi. 2.4 Material karbon saat ini menggunakan luas permukaan spesifik yang rendah, platform pengisian dan pengosongan yang lebih tinggi, platform pengisian dan pengosongan yang kecil, stabilitas termal yang relatif tinggi, keadaan termal yang relatif baik, termostabilitas yang relatif tinggi, termostabilitas yang relatif tinggi, termostabilitas yang relatif tinggi.

Seperti mikrosfer karbon fase menengah (MCMB), atau Li9Ti5o12 berstruktur spinel, yang lebih baik dibandingkan stabilitas struktural grafit laminasi [20]. Metode peningkatan kinerja material karbon saat ini penting dilakukan melalui perlakuan permukaan (oksidasi permukaan, halogenasi permukaan, pelapisan karbon, pelapisan logam, oksida logam, pelapisan polimer) atau pengenalan doping logam atau non-logam. 2.

5 Diafragma yang saat ini digunakan dalam baterai lithium-ion komersial masih berupa bahan poliolefin, dan kelemahan utamanya adalah infiltrasi cairan panas dan elektrolit yang buruk. Untuk mengatasi cacat tersebut, para peneliti telah mencoba berbagai cara, seperti mencari bahan yang memiliki kestabilan termal, atau menambahkan sedikit nanopowdia Al2O3 atau SiO2, yang tidak hanya memiliki diafragma yang sama, tetapi juga memiliki kestabilan termal dari bahan elektroda positif. menggunakan.

MIAO dkk, fabrikasi kain nonwoven nano polimida yang disiapkan dengan metode pemintalan elektrostatik. Karakterisasi mirip DR dan TGA menunjukkan bahwa ia tidak hanya dapat mempertahankan stabilitas termal pada suhu 500 ° C, tetapi juga memiliki infiltrasi elektrolit yang lebih baik relatif terhadap diafragma CELGARD. WANG dan kawan-kawan menyiapkan membran mikropori nanoskopik AL2O3-PVDF, yang menunjukkan sifat elektrokimia dan stabilitas termal yang baik, memenuhi penggunaan pemisah baterai lithium-ion.

3 Ringkasan dan nantikan baterai lithium-ion untuk kendaraan listrik dan penyimpanan energi, yang jauh lebih besar daripada peralatan elektronik kecil, dan lingkungan penggunaannya lebih rumit. Singkatnya, kita dapat melihat bahwa keamanannya masih jauh dari terselesaikan, dan telah menjadi hambatan teknis saat ini. Pekerjaan selanjutnya harus mendalami efek termal yang mungkin ditimbulkan baterai setelah pengoperasian abnormal, dan menemukan cara yang efektif untuk meningkatkan kinerja keselamatan baterai ion litium.

Saat ini, penggunaan pelarut yang mengandung fluor dan aditif penghambat api merupakan arah penting untuk mengembangkan baterai lithium-ion tipe aman. Bagaimana menyeimbangkan kinerja elektrokimia dan keamanan suhu tinggi akan menjadi fokus penelitian di masa mendatang. Misalnya, set terpadu penghambat api komposit berkinerja tinggi P, N, F, dan CL dikembangkan, dan pelarut organik yang memiliki titik didih tinggi, titik nyala tinggi dikembangkan, dan larutan elektrolit dengan kinerja keamanan tinggi diproduksi.

Penghambat api komposit dan aditif fungsi ganda juga akan menjadi tren pengembangan di masa mendatang. Mengenai bahan elektroda baterai ion litium, sifat kimia permukaan bahannya berbeda, tingkat kepekaan bahan elektroda terhadap potensi pengisian dan pengosongan tidak konsisten, dan tidak mungkin menggunakan satu atau terbatas pada beberapa elektroda/elektrolit/aditif untuk semua desain struktur baterai. Oleh karena itu, di masa mendatang, kita harus fokus pada pengembangan sistem baterai yang berbeda untuk bahan elektroda tertentu.

Pada saat yang sama, juga sedang dikembangkan sistem baterai lithium-ion polimer dengan keamanan tinggi atau pengembangan elektrolit padat anorganik yang memiliki konduktif kation tunggal dan transportasi ion cepat serta termostabilitas tinggi. Selain itu, peningkatan kinerja cairan ionik, pengembangan sistem sintetis yang sederhana dan murah juga merupakan bagian penting dari penelitian masa depan.