리튬 배터리 충전 시 열 손실에 대한 연구의 진전

Mwandishi:Iflowpower- Leverandør av bærbar kraftstasjon

초록: 고보안성 리튬 이온 배터리 연구의 최신 진전과 개발 전망에 대한 요약. 전해액과 전극의 고온 안정성, 리튬 이온 배터리의 열 불안정성 원인 및 그 메커니즘을 밝혀내어 기존 상용 리튬 이온 배터리 시스템이 고온에 적합하지 않다는 것을 밝히고, 고온 전해액, 양극 및 음극 변형, 외부 배터리 관리 등의 개발을 제안합니다. 높은 보안성의 리튬 이온 배터리를 설계합니다.

안전한 리튬이온전지 개발의 기술적 전망에 대한 전망. 0 서론 리튬 이온 배터리는 낮은 비용, 높은 성능, 고출력, 녹색 환경 등의 특징으로 인해 새로운 유형의 에너지를 대표하는 대표적인 배터리로 자리 잡았으며, 3C 디지털 제품, 모바일 전원 및 전동 공구에 널리 사용되고 있습니다. 최근 몇 년 동안 환경 오염 심화와 국가 정책 지침으로 인해 전기 자동차 기반 전기 자동차 시장에서 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가했습니다. 고출력 리튬 이온 배터리 시스템을 개발하는 과정에서 배터리 안전 문제가 널리 주목을 받고 있으며, 기존의 문제를 시급히 해결해야 합니다.

배터리 시스템의 온도 변화는 열의 발생과 두 가지 요인의 분포에 의해 결정됩니다. 리튬 이온 배터리의 열 발생은 열분해와 배터리 재료 사이의 반응으로 인해 발생합니다. 배터리 시스템의 열을 낮추고 시스템의 고온 방지 성능을 개선하여 배터리 시스템을 안전하게 보호합니다.

그리고 휴대전화와 같은 소형 휴대용 기기의 경우 노트북 배터리 용량은 일반적으로 2AH 미만이며, 전기 자동차에 사용되는 전력형 리튬 이온 배터리 용량은 일반적으로 10ah 이상이며, 정상 작동 시 국부 온도는 종종 55°C 이상이며 내부 온도는 300°C에 도달합니다. 고온 또는 대용량 충방전 조건에서는 열과 인화성 유기 용매 온도의 상승으로 인해 일련의 부반응이 발생하여 결국 열 제어 불능 및 배터리 연소 또는 폭발로 이어집니다[3]. 리튬이온 배터리는 자체의 화학적 반응 요인 외에도 과열, 추월, 기계적 충격 등으로 인해 단락이 발생하는 경우도 있고, 인위적인 요인으로 인해 안전사고가 발생하는 경우도 있습니다. 따라서 리튬 이온 배터리의 고온 성능을 연구하고 개선하는 것이 중요합니다.

1 열적 제어 불능 원인 리튬 이온 배터리의 열적 제어 불능에 대한 분석은 배터리의 내부 온도가 상승하기 때문에 중요합니다. 현재 상업용 리튬 이온 배터리에서 가장 널리 사용되는 전해질 시스템은 LiPF6 혼합 탄산염 용액입니다. 이러한 용매는 휘발성이 높고, 인화점이 낮으며, 연소하기가 매우 쉽습니다.

충돌이나 변형으로 인해 내부 단락이 발생하고, 큰 비율로 충전, 방전 및 추월할 때 많은 열이 발생하여 배터리 온도가 상승하게 됩니다. 특정 온도에 도달하면 일련의 분해 반응이 일어나 배터리의 열 균형이 파괴됩니다. 이러한 화학 반응으로 인해 방출되는 열이 제때 배출되지 않으면 반응의 진행이 더 심해지고 일련의 자체 발열 부작용이 촉발됩니다.

배터리 온도가 급격하게 상승하여 "열 제어 불능"이 발생하고, 결국 배터리가 타버리거나 심지어 폭발하는 심각한 상황이 발생합니다. 일반적으로 리튬 이온 전지의 열적 제어 불능의 원인은 전해액의 열적 불안정성, 그리고 전해액의 열적 불안정성과 양극과 음극의 공존이 중요합니다. 현재, 넓은 관점에서 볼 때 리튬이온 배터리의 안전성은 외부 관리와 내부 설계를 통해 내부 온도, 전압, 기압 등을 제어하여 안전성 목적을 달성하는 것이 중요합니다.

2. 열 제어 불능 문제를 해결합니다. 2. 외부관리 1) PTC(양의 온도계수)부품 : 리튬이온 배터리에 PTC부품을 설치하여 배터리 내부의 압력과 온도를 고려하여 과충전으로 배터리가 따뜻해지면 배터리 10Ω·m의 저항이 증가하여 전류를 제한하고, 양극과 음극 간 전압을 안전한 전압으로 낮추어 배터리의 자동 보호 기능을 실현합니다. 2) 방폭 밸브: 배터리가 비정상적으로 너무 큰 경우 방폭 밸브가 변형되어 배터리 내부에 배치되어 연결되고 충전이 중지됩니다.

3) 전자: 2 ~ 4개의 배터리 팩은 리튬 이온 보호기의 전자 회로 설계를 구체화하여 과충전 및 과방전을 방지하고, 안전 사고를 예방하며, 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 물론 이러한 외부 제어 방법은 어느 정도 효과가 있지만, 이러한 추가적인 장치로 인해 배터리의 복잡성과 생산 비용이 늘어나며 배터리 안전 문제를 완전히 해결할 수 없습니다. 그러므로 본질적인 안전 보호 메커니즘을 구축하는 것이 필요하다.

2.2 리튬이온 전지의 전해액 전해질을 개량하는 경우, 전해액의 특성은 전지의 성능을 직접적으로 결정하며, 전지의 용량, 작동 온도 범위, 사이클 성능, 안전 성능이 중요합니다. 현재 상업용 리튬이온 배터리 전해액 시스템에서 가장 널리 사용되는 조성은 LIPF6, 비닐카보네이트, 선형카보네이트입니다.

전면부는 필수적인 구성 요소이며, 이를 사용하면 배터리 성능 면에서도 어느 정도 제약이 따릅니다. 동시에 전해질에는 끓는점이 낮고 인화점이 낮은 탄산염 용매가 다량으로 사용되며 이는 더 낮은 온도에서 발생합니다. 플래시, 큰 안전 문제가 생겼어요.

따라서 많은 연구자들은 전해질의 안전 성능을 향상시키기 위해 전해질 시스템을 개선하려고 노력하고 있습니다. 배터리의 본체 소재(전극 소재, 다이어프램 소재, 전해액 소재 포함)가 단시간 내에 변하지 않는 경우, 전해액의 안정성은 리튬 이온 배터리의 안전성을 높이는 중요한 방법입니다. 2.

2.1 기능성 첨가제 기능성 첨가제는 투여량이 적고, 표적 기능이 적습니다. 즉, 생산 공정을 변경하지 않고도 배터리의 특정 거시적 성능을 크게 향상시킬 수 있고, 배터리 신규 생산 비용을 크게 낮추거나 전혀 들이지 않아도 됩니다.

따라서 기능성 첨가제는 오늘날 리튬이온 전지에서 핫스팟이 되었는데, 이는 현재 리튬이온 전지 전해액의 병원성 용액 중 가장 유망한 경로 중 하나이다. 첨가제의 기본적인 용도는 배터리 온도가 너무 높아지는 것을 방지하고 배터리 전압을 제어 범위로 제한하는 것입니다. 따라서 첨가제의 설계는 온도와 충전 전위의 관점에서도 고려됩니다.

난연제 첨가제: 난연제 첨가제는 유기인계 난연제 첨가제, 질소함유화합물 난연제 첨가제, 실리콘계 난연제 첨가제, 복합계 난연제 첨가제로도 나눌 수 있습니다. 5가지 중요한 범주. 유기 인광체 난연제: 중요한 것으로는 알킬 인산염, 알킬 인산염, 불소화 인산염 및 인산 니트릴 화합물이 있습니다.

난연 메커니즘은 난연 분자가 수소 자유 라디칼을 방해하는 연쇄 반응, 즉 자유 라디칼 포집 메커니즘에 중요합니다. 첨가 가스화 분해 과정에서 인을 함유한 자유 라디칼이 방출되는데, 이는 자유 라디칼이 연쇄 반응을 종결시키는 능력을 가지고 있기 때문입니다. 인산염 난연제: 중요인산염, 트리에틸인산(TEP), 트리부틸인산(TBP) 등

헥사메틸포스파젠(HMPN)과 같은 인산니트릴 화합물, 트리메틸포스파이트(TMPI)와 같은 알킬포스파이트, 트리-(2,2,2-트리플루오로에틸)포스파이트(TT-FP), 트리-(2,2,2-트리플루오로에틸)포스페이트(TFP), 디-(2,2,2-트리플루오로에틸)-메틸포스페이트(BMP), (2,2,2-트리플루오로에틸)-디에틸포스페이트(TDP), 페닐포스페이트(DPOF) 등과 같은 불소산 에스테르 등. 좋은 난연제 첨가제입니다. 인산염은 일반적으로 비교적 점도가 크고 전기화학적 안정성이 낮으며, 난연제를 첨가하면 전해질의 이온 전도도와 전해질의 순환 가역성에 부정적인 영향을 미치는 동시에 전해질의 굴절률이 증가합니다.

일반적으로 다음과 같습니다. 1. 새로운 알킬기의 탄소 함량; 2. 방향족 (페닐)기 부분이 치환된 알킬기로 구성됨; 3. 인산의 고리 구조를 형성함. 유기할로겐화 물질(할로겐화 용매): 유기할로겐화 난연제는 독감 독감 독감 독감에 중요합니다. H가 F로 대체된 후에는 녹는점이 낮아지고, 점도가 낮아지고, 화학 및 전기화학적 안정성이 향상되는 등 물리적 특성이 변화합니다.

유기할로겐계 난연제로는 불소고리탄산염, 불소사슬탄산염, 알킬퍼플루오로데칸에테르 등을 포함하는 것이 중요하다. OHMI 및 기타 비교 불소에틸 에테르, 불소 함유 불소 화합물은 33.3% (부피 분율) 0.1%를 첨가하면 우수한 효과를 나타냄을 보였습니다.

67 mol / lliclo4 / Ec + DEC + PC (부피비 1 : 1 : 1) 전해액은 유기용매인 EC, DEC, PC보다 인화점이 높고 환원전위가 높아 천연흑연 표면에 SEI 피막을 빠르게 형성하여 초회 충방전 쿨렌 효율 및 방전 용량을 향상시킵니다. 불화물 자체는 상기 난연제의 자유라디칼 포집기능을 사용하지 않고, 휘발성이 높고 가연성이 높은 공용매를 희석하는 용도로만 사용하므로 전해질 내의 부피비율이 대부분(70%)이 되지 않고 전해질이 불연성인 경우이다. 복합 난연제 : 현재 전해액에 사용하는 복합 난연제는 PF계 화합물과 NP계 화합물을 가지고 있으며, 대표적인 물질로는 헥사메틸포스포라이드(HMPA), 불소인산염 등이 있다.

난연제는 두 가지의 난연성 요소를 상승적으로 사용하여 난연 효과를 발휘합니다. FEI 등 두 가지 NP 난연제인 MEEP와 MEE를 제안하며, 그 분자식은 그림 1에 나타나 있다.

Licf3SO3 / MeEP :PC = 25:75, 전해질은 인화성을 90% 감소시킬 수 있으며 전도도는 2.5 × 10-3S / cm에 도달할 수 있습니다. 2) 과충전 첨가제: 리튬 이온 배터리가 과충전되면 일련의 반응이 발생합니다.

전해질 성분(중요한 것은 용매)이 양극 표면에서 산화 분해 반응을 일으켜 가스가 발생하고 많은 열이 방출되어 전지 내부 압력이 증가하고 온도가 상승하여 전지의 안전성에 심각한 영향을 미친다. 목적 메커니즘 측면에서 보면, 보호 첨가제는 산화적 스트리핑 전력 유형과 두 가지 유형의 전기 중합 유형에 중요합니다. 첨가제의 종류에 따라서는 리튬할로겐화물, 메탈로센 화합물 등으로 나눌 수 있다.

현재, 산화환원 방지 과충전 첨가제에 과충전된 추가적인 추가적인 추가적인 아다프라제(BP)와 시클로헥실벤젠(CHB)이 원칙적으로 충전 전압이 정상 차단 전압을 초과할 때 첨가제가 양극에서 시작됩니다. 산화 반응에 의해 산화 생성물이 음극으로 확산되고 환원 반응이 일어납니다. 산화는 양극과 음극 사이에서 닫히고, 과도한 전하를 흡수합니다.

대표적인 물질로는 페로센과 그 유도체인 페리드 2,2-피리딘, 1,10-인접 글레놀린 복합체인 티올 유도체가 있다. 중합 블록 방지 충진 첨가제. 대표적인 물질로는 시클로헥실벤젠, 비페닐 등이 있다.

비페닐을 사전 충전 첨가제로 사용할 경우 전압이 4.5~4.7V에 도달하면 첨가된 비페닐이 전기 화학적으로 중합되어 양극 표면에 전도성 필름 층을 형성하고 배터리의 내부 저항을 증가시켜 충전 전류 보호 배터리를 제한합니다.

2.2.2 이온액체 이온액체 전해질은 완전히 음과 양이온으로 구성되어 있습니다.

내부 이온 또는 양이온 부피가 약하기 때문에 중간체도 약하고, 전자 분포도 고르지 않고, 이온-센서는 액체인 실온에서 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이미다졸, 피라졸, 피리딘, 4차 암모늄염 등으로 나눌 수 있다. 리튬 이온 전지의 일반적인 유기 용매에 비해 이온성 액체는 5가지 장점을 가지고 있다: 1. 열 안정성이 높고 200℃에서 분해되지 않는다. 2. 증기압이 거의 0에 가까워 전지에 대한 걱정이 없다. 3. 이온성 액체는 연소하기 쉽지 않고 부식성이 없다. 4. 전기 전도도가 높다. 5. 화학적 또는 전기화학적 안정성이 좋다.

AN 또는 이와 유사한 것은 PP13TFSI와 1Mollipf6ec/Dec(1:1)을 전해질로 형성하여 완전히 무연료 효과를 달성할 수 있으며, 이 시스템에 2중량%의 liboB 첨가제를 첨가하여 계면 호환성을 크게 개선할 수 있다. 해결해야 할 유일한 문제는 전해질 시스템의 이온 전도도입니다. 2.

2.3 리튬염 6불화인산(LiPF6)의 열 안정성 선택은 상용 리튬 이온 배터리에서 널리 사용되는 전해질 리튬염입니다. 단일한 특성으로 봤을 때는 최적은 아니지만, 전반적인 성능이 가장 유리합니다.

그러나 LiPF6에도 단점이 있는데, 예를 들어 LiPF6는 화학적, 열역학적으로 불안정하여 LIPF(6S) → LIF(S) + PF(5G) 반응이 일어난다. 생성된 반응에서 PF5는 유기 용매의 산소 원자를 공격하기 쉽고 전자와 단절되어 용매의 오픈 루프 중합과 에테르 결합을 초래한다. 이 반응은 특히 고온에서 심각하다. 현재 고온 전해질 염에 대한 연구는 유기 리튬 염 분야에 집중되어 있습니다. 대표적인 물질로는 붕소계 염, 이민계 리튬 염 등이 있다.

LIB (C2O4) 2 (liboB)는 최근 몇 년 동안 새롭게 합성된 전해질 염입니다. 우수한 특성이 많이 있으며, 분해 온도는 302°C로 음극에 안정적인 SEI 피막을 형성할 수 있습니다. PC 기반 전해액에서 흑연의 성능을 향상시켰으나 점도가 크고 SEI 필름 형성의 임피던스가 크다[14].

LIN(SO2CF3)2(Litfsi)의 분해온도는 360℃이며, 상온에서의 이온전도도는 LiPF6보다 약간 낮습니다. 전기화학적 안정성이 좋고 산화전위가 약 5.0V로 가장 유기적인 리튬염이지만 Al계 합금액의 부식이 심각하다.

2.2.4 폴리머 전해질 많은 일반 리튬 이온 배터리는 누출로 인해 화재가 발생할 가능성이 있을 경우를 대비해 가연성 및 휘발성 탄산염 용매를 사용합니다.

특히 이는 고용량, 고에너지 밀도를 갖춘 강력한 리튬 이온 배터리입니다. 인화성 유기 액체 전해질 대신 비도덕적인 폴리머 전해질을 사용하면 리튬 이온 배터리의 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 폴리머 전해질, 특히 겔형 폴리머 전해질에 대한 연구는 큰 진전을 이루었습니다.

현재 상업용 리튬 이온 배터리에 성공적으로 사용되고 있습니다. 폴리머 바디 분류에 따르면, 겔 폴리머 전해질은 다음 세 가지 범주로 중요합니다: PAN 기반 폴리머 전해질, PMMA 폴리머 전해질, PVDF 기반 폴리머 전해질. 그러나 겔형 폴리머 전해질은 실제로 건식 폴리머 전해질과 액체 전해질의 절충안으로 만들어진 것이며, 겔형 폴리머 전지는 아직 개선해야 할 점이 많습니다.

2.3 양극재는 충전상태 전압이 4V 이상일 경우 양극재가 불안정하여 고온에서 산소를 분해하여 열을 발생시키기 쉽고, 산소와 유기용매가 지속적으로 반응하여 많은 열과 기타 가스를 발생시켜 배터리의 안전성을 저하시킨다[2, 17-19]. 따라서 양극과 전해질의 반응은 열의 중요한 원인으로 여겨진다.

일반적인 재료에 대해서 그 안전성을 개선하는 일반적인 방법은 코팅 개질이다. 양극소재 표면을 MgO, Al2O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2 등으로 코팅하면 Die +-후 양극과 전해질의 반응을 줄이는 동시에 양극의 크로마토그래피를 줄여 양극소재의 상변화를 억제할 수 있다.

구조적 안정성을 향상시키고, 격자 내 양이온의 무질서 저항성을 낮추어 순환 과정의 2차 반응을 줄입니다. 2.4 탄소재료는 현재 낮은 비표면적, 높은 충방전 플랫폼, 작은 충방전 플랫폼, 비교적 높은 열적 안정성, 비교적 양호한 열적 상태, 비교적 높은 열적 안정성, 비교적 높은 전기적 안정성 등을 사용하고 있다.

예를 들어, 스피넬 구조의 중간상 탄소 미세구체(MCMB)나 Li9Ti5o12 등은 적층흑연의 구조적 안정성보다 우수하다[20]. 현재 탄소소재의 성능을 향상시키는 방법으로는 표면처리(표면산화, 표면할로겐화, 탄소클래딩, 코팅금속, 금속산화물, 폴리머코팅)나 금속·비금속 도핑의 도입이 중요하다. 2.

5 현재 상업용 리튬이온 전지에 적용되는 격막은 여전히 ​​폴리올레핀 소재이며, 이의 중요한 단점은 뜨겁고 전해액 침투성이 좋지 않다는 것이다. 연구진은 이러한 단점을 극복하기 위해 열적 안정성이 뛰어난 소재를 찾거나, 일반적인 격막에 사용할 뿐만 아니라 양극재로서 열적 안정성이 뛰어난 Al2O3나 SiO2 나노분말을 소량 첨가하는 등 여러 가지 방법을 시도했다. 사용.

MIAO 등은 정전기 방사법을 이용하여 폴리이미드 나노 부직포를 제조하였다. DR 및 TGA와 같은 특성화 수단은 500°C에서 열적 안정성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 CELGARD 다이어프램에 비해 더 나은 전해질 침투성을 갖는다는 것을 보여줍니다. WANG 등은 전기화학적 특성과 열적 안정성이 우수한 AL2O3-PVDF 나노 크기의 미세 다공성 막을 제조하였으며, 이는 리튬 이온 배터리 분리막으로 사용하기에 적합하다.

3 요약 및 전기 자동차 및 에너지 저장을 위한 리튬 이온 배터리에 대한 기대. 이는 소형 ​​전자 장비에 비해 크기가 훨씬 크고 사용 환경이 더 복잡합니다. 요약하자면, 보안 문제는 해결과는 거리가 멀고, 현재 기술적 병목 현상이 되고 있다는 것을 알 수 있습니다. 이후 연구에서는 비정상적인 작동 후 배터리에 발생할 수 있는 열적 영향에 대해 심도 있게 조사하고, 리튬 이온 배터리의 안전 성능을 개선할 수 있는 효과적인 방안을 찾아야 한다.

현재, 불소계 용매와 난연제 첨가제를 사용하는 것은 안전한 리튬 이온 전지를 개발하는 데 중요한 방향입니다. 전기화학적 성능과 고온 안전성의 균형을 어떻게 맞출 것인가가 미래 연구의 초점이 될 것입니다. 예를 들어, 고성능 복합 난연제 P, N, F, CL이 일체화된 제품을 개발하고, 고비점, 고인화점을 갖는 유기용매를 개발하여 높은 안전성능의 전해액을 제조합니다.

복합 난연제, 이중 기능 첨가제 등도 향후 개발 트렌드가 될 것입니다. 리튬이온 전지 전극 소재는 소재 표면의 화학적 특성이 서로 다르고, 전극 소재의 충전 및 방전 전위에 대한 민감도도 일정하지 않으며, 모든 전지 구조 설계에 하나 또는 제한된 여러 개의 전극/전해질/첨가제를 사용하는 것은 불가능합니다. 따라서 미래에는 특정 전극 물질에 맞는 다양한 배터리 시스템을 개발하는 데 주력해야 할 것입니다.

동시에 높은 안전성을 갖춘 폴리머 리튬 이온 전지 시스템이나 단일 양이온 전도성, 빠른 이온 전달 및 높은 열 안정성을 갖춘 무기 고체 전해질의 개발도 진행하고 있습니다. 또한, 이온성 액체의 성능을 개선하고, 간단하고 저렴한 합성 시스템을 개발하는 것도 미래 연구의 중요한 부분입니다.