Kemajuan dalam penyelidikan mengenai kehilangan haba pengecasan bateri litium

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Furnizuesi portativ i stacionit të energjisë elektrike

Abstrak: Ringkasan kemajuan terkini dan prospek pembangunan untuk penyelidikan bateri litium-ion keselamatan tinggi. Penting daripada kestabilan suhu tinggi elektrolit dan elektrod, punca ketidakstabilan haba bateri ion litium dan mekanismenya telah menjelaskan bahawa sistem bateri litium-ion komersial sedia ada tidak mencukupi pada suhu tinggi, bercadang untuk membangunkan elektrolit suhu tinggi, pengubahsuaian positif dan negatif dan pengurusan bateri Luaran, dsb. untuk mereka bentuk bateri litium-ion keselamatan tinggi.

Tinjauan mengenai pembangunan prospek teknikal pembangunan keselamatan bateri litium-ion. 0 Pengenalan Bateri litium ion menjadi wakil tipikal bagi jenis tenaga baharu kerana kos rendah, prestasi tinggi, kuasa tinggi dan persekitaran hijau, digunakan secara meluas dalam produk digital 3C, kuasa mudah alih dan alatan elektrik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, disebabkan oleh peningkatan pencemaran alam sekitar dan panduan dasar negara, pasaran kenderaan elektrik berasaskan kenderaan elektrik telah meningkatkan permintaan untuk bateri litium-ion, dalam proses membangunkan sistem bateri litium-ion berkuasa tinggi, isu keselamatan bateri telah menarik perhatian yang meluas , Masalah sedia ada perlu segera diselesaikan.

Perubahan suhu sistem bateri ditentukan oleh kemunculan haba dan diedarkan dua faktor. Kejadian haba bateri lithium ion adalah penting disebabkan oleh tindak balas antara penguraian haba dan bahan bateri. Kurangkan haba sistem bateri dan tingkatkan sistem prestasi suhu anti-tinggi, sistem bateri selamat.

Dan peralatan mudah alih kecil seperti telefon bimbit, kapasiti bateri komputer riba secara amnya kurang daripada 2AH, dan kapasiti bateri litium-ion jenis kuasa yang digunakan dalam kenderaan elektrik biasanya lebih besar daripada 10ah, dan suhu tempatan selalunya lebih tinggi daripada 55 ° C semasa operasi biasa, dan suhu dalaman akan mencapai 300 ° C, Di bawah suhu tinggi atau keadaan caj dan pelepasan kadar yang besar, peningkatan siri suhu dan kemudahbakaran bahan organik yang akhirnya menyebabkan siri pelarut yang mudah terbakar dan mudah terbakar. dan pembakaran atau letupan bateri [3]. Sebagai tambahan kepada faktor tindak balas kimianya sendiri, sesetengah orang mempunyai litar pintas yang disebabkan oleh terlalu panas, memotong, dan kesan mekanikal, beberapa faktor buatan juga boleh menyebabkan berlakunya bateri litium-ion untuk menyebabkan kemalangan keselamatan. Oleh itu, adalah penting untuk mengkaji dan meningkatkan prestasi suhu tinggi bateri litium-ion.

1 analisis punca terma luar kawalan bagi terma luar kawalan bateri lithium-ion adalah penting kerana suhu dalaman bateri meningkat. Pada masa ini, sistem elektrolit yang paling banyak digunakan dalam bateri lithium-ion komersial ialah larutan karbonat campuran LiPF6. Pelarut sedemikian mempunyai kemeruapan yang tinggi, takat kilat yang rendah, sangat mudah dibakar.

Apabila litar pintas dalaman yang disebabkan oleh perlanggaran atau cacat, caj kadar yang besar dan nyahcas dan memotong, akan terdapat banyak haba, menyebabkan suhu bateri meningkat. Apabila mencapai suhu tertentu, satu siri tindak balas penguraian akan menyebabkan keseimbangan haba bateri musnah. Apabila haba yang dikeluarkan oleh tindak balas kimia ini tidak dapat dipindahkan dalam masa, ia akan memburukkan lagi perkembangan tindak balas, dan mencetuskan satu siri tindak balas sampingan pemanasan sendiri.

Suhu bateri meningkat secara mendadak, iaitu, "terma di luar kawalan", akhirnya membawa kepada pembakaran bateri, malah letupan berlaku dengan serius. Secara umum, punca haba di luar kawalan bateri litium-ion adalah penting dalam ketidakstabilan haba elektrolit, serta ketidakstabilan haba elektrolit dan kewujudan bersama elektrod positif dan negatif. Pada masa ini, dari aspek yang besar, keselamatan bateri litium-ion adalah penting daripada pengurusan luaran dan reka bentuk dalaman untuk mengawal suhu dalaman, voltan dan tekanan udara untuk mencapai tujuan keselamatan.

2 Selesaikan strategi luar kawalan terma 2. Pengurusan luaran 1) Komponen PTC (pekali suhu positif): Pasang komponen PTC dalam bateri ion litium, yang mengambil kira tekanan dan suhu di dalam bateri, dan apabila bateri dipanaskan oleh cas berlebihan, bateri ialah 10 Rintangan meningkat untuk mengehadkan arus, dan voltan antara kutub positif dan negatif dikurangkan kepada voltan selamat untuk merealisasikan fungsi perlindungan automatik bateri. 2) Injap kalis letupan: Apabila bateri terlalu besar kerana tidak normal, injap kalis letupan berubah bentuk, yang akan diletakkan di dalam bateri untuk disambungkan, hentikan pengecasan.

3) Elektronik: 2 ~ 4 pek bateri boleh memperindah reka bentuk litar elektronik pelindung ion litium, mengelakkan caj berlebihan dan pelepasan berlebihan, mengelakkan kemalangan keselamatan, memanjangkan hayat bateri. Sudah tentu, kaedah kawalan luaran ini mempunyai kesan tertentu, tetapi peranti tambahan ini telah menambah kerumitan dan kos pengeluaran bateri, dan mereka tidak dapat menyelesaikan sepenuhnya masalah keselamatan bateri. Oleh itu, adalah perlu untuk mewujudkan mekanisme perlindungan keselamatan intrinsik.

2.2 Menambah baik elektrolit elektrolit elektrolit sebagai bateri ion litium, sifat elektrolit secara langsung menentukan prestasi bateri, kapasiti bateri, julat suhu operasi, prestasi kitaran dan prestasi keselamatan adalah penting. Pada masa ini, sistem penyelesaian elektrolitik bateri lithium-ion komersial, komposisi yang paling banyak digunakan ialah LIPF6, vinil karbonat dan linear karbonat.

Bahagian depan adalah bahan yang sangat diperlukan, dan penggunaannya juga mempunyai beberapa batasan dari segi prestasi bateri. Pada masa yang sama, sejumlah besar pelarut karbonat didih rendah, takat kilat rendah digunakan dalam elektrolit, yang akan berada pada suhu yang lebih rendah. Flash, terdapat bahaya keselamatan yang besar.

Oleh itu, ramai penyelidik cuba memperbaiki sistem elektrolit untuk meningkatkan prestasi keselamatan elektrolit. Dalam kes di mana bahan badan utama bateri (termasuk bahan elektrod, bahan diafragma, bahan elektrolit) tidak berubah dalam tempoh yang singkat, kestabilan elektrolit adalah cara penting untuk meningkatkan keselamatan bateri ion litium. 2.

2.1 Aditif fungsi aditif berfungsi mempunyai dos yang lebih sedikit, ciri yang disasarkan. Iaitu, ia boleh meningkatkan prestasi makroskopik tertentu bateri dengan ketara tanpa mengubah proses pengeluaran tanpa mengubah atau secara ketara tiada kos bateri baharu.

Oleh itu, aditif fungsi telah menjadi tempat yang hangat dalam bateri litium-ion hari ini, yang merupakan salah satu laluan paling menjanjikan yang kini merupakan penyelesaian patogenik elektrolit bateri litium-ion yang paling menjanjikan. Penggunaan asas bahan tambahan adalah untuk mengelakkan suhu bateri daripada terlalu tinggi dan voltan bateri terhad kepada julat kawalan. Oleh itu, reka bentuk bahan tambahan juga dipertimbangkan dari sudut suhu dan potensi pengecasan.

Aditif kalis api: Aditif kalis api juga boleh dibahagikan kepada bahan tambahan kalis api fosforus organik, bahan tambahan kalis api kompaun yang mengandungi nitrogen, bahan tambahan kalis api berasaskan silikon, dan bahan tambahan kalis api komposit. 5 kategori penting. Kalis api phosphorescell-organik: Penting termasuk beberapa alkil fosfat, alkil fosfit, fosfat terfluorinasi dan sebatian nitril fosfat.

Mekanisme kalis api adalah penting kepada tindak balas rantai molekul kalis api yang mengganggu radikal bebas hidrogen, juga dikenali sebagai mekanisme penangkapan radikal bebas. Penguraian pengegasan aditif membebaskan radikal bebas yang mengandungi fosforus, keupayaan radikal bebas untuk menamatkan tindak balas berantai. Kalis api fosfat: Fosfat penting, trietil fosfat (TEP), tributil fosfat (TBP), dsb.

Sebatian nitril fosfat seperti heksametil fosfazena (HMPN), alkil fosfit seperti trimetil fosfit (TMPI), tiga - (2,2,2-trifluoroethyl), fosfit (TT- FP), ester asid terfluorinasi, seperti tiga-(2,2,2-trifluoroethyl) fosfat (TFP,2-MP,2,2-trifluoroethyl) fosfat (TFP), di-(2,2,2) (2,2,2-trifluoroethyl) - dietil fosfat (TDP), fenilfosfat (DPOF), dsb. adalah bahan tambahan kalis api yang baik. Fosfat biasanya mempunyai kelikatan yang agak besar, kestabilan elektrokimia yang lemah, dan penambahan kalis api juga mempunyai kesan negatif ke atas kekonduksian ionik elektrolit dan keterbalikan peredaran elektrolit sambil meningkatkan kebolehbiasaan elektrolit.

Secara amnya: 1 kandungan karbon kumpulan alkil baru; 2 kumpulan aromatik (fenil) gugusan digantikan kumpulan alkil; 3 membentuk fosfat struktur kitaran. Bahan berhalogen organik (pelarut terhalogen): kalis api halogenik organik adalah penting untuk selesema selesema selesema. Selepas H digantikan oleh F, sifat fizikalnya telah berubah, seperti penurunan takat lebur, penurunan kelikatan, peningkatan kestabilan kimia dan elektrokimia, dsb.

Kalis api halogenik organik adalah penting untuk memasukkan karbonat fluorosiklik, karbonat rantai fluoro dan eter alkil-perfluorodekana, dsb. OHMI dan lain-lain perbandingan fluororetyl eter, sebatian fluorida yang mengandungi fluorida menunjukkan bahawa penambahan 33.3% (pecahan isipadu) 0.

67 mol / lliclo4 / Ec + DEC + PC (nisbah volum 1: 1: 1) elektrolit mempunyai takat kilat yang lebih Tinggi, potensi pengurangan adalah lebih tinggi daripada pelarut organik EC, DEC dan PC, yang boleh dengan cepat membentuk filem SEI pada permukaan grafit semula jadi, meningkatkan cas pertama dan pelepasan kecekapan Cullen dan kapasiti nyahcas. Fluorida itu sendiri tidak mempunyai penggunaan fungsi penangkapan radikal bebas bagi kalis api yang diterangkan di atas, hanya untuk mencairkan pelarut bersama yang mudah meruap dan mudah terbakar, jadi hanya nisbah isipadu dalam elektrolit yang kebanyakannya (70%) Apabila elektrolit tidak mudah terbakar. Kalis api komposit: Kalis api komposit yang kini digunakan dalam elektrolit mempunyai sebatian PF dan sebatian kelas NP, bahan perwakilan mempunyai heksametilfosforida (HMPA) penting, fluorofosfat, dsb.

Kalis api memberikan kesan kalis api dengan penggunaan sinergistik dua elemen kalis api. FEI et al. Mencadangkan dua kalis api NP MEEP dan MEE, dan formula molekulnya ditunjukkan dalam Rajah 1.

Licf3SO3 / MeEP :PC = 25:75, elektrolit boleh mengurangkan kemudahbakaran 90%, dan kekonduksian boleh mencapai 2.5 × 10-3S / cm. 2) Bahan tambahan terlampau cas: Satu siri tindak balas berlaku apabila bateri litium-ion dicas terlebih dahulu.

Komponen elektrolit (penting ialah pelarut) membalikkan permukaan tindak balas penguraian oksidatif pada permukaan elektrod positif, gas dijana dan jumlah haba dibebaskan, mengakibatkan peningkatan tekanan dalaman bateri dan kenaikan suhu, dan keselamatan bateri terjejas dengan serius. Daripada mekanisme tujuan, aditif perlindungan overchaul adalah penting kepada jenis kuasa pelucutan oksidatif dan dua jenis jenis pempolimeran elektrik. Daripada jenis aditif, ia boleh dibahagikan kepada litium halida, sebatian metalosen.

Pada masa ini, adaprase tambahan tambahan (BP) tambahan dan sikloheksilbenzena (CHB) tambahan terlampau pada bahan tambahan anti-overchard redoks adalah prinsip apabila voltan pengecasan melebihi voltan potong biasa, bahan tambahan bermula pada elektrod positif. Tindak balas pengoksidaan, produk pengoksidaan meresap ke elektrod negatif, dan tindak balas pengurangan berlaku. Pengoksidaan ditutup antara kutub positif dan negatif, menyerap lebihan cas.

Bahan perwakilannya mempunyai ferrosen dan terbitannya, ferrid 2,2-piridin dan kompleks 1,10 bersebelahan glenolin, terbitan tiol. Aditif anti-isi blok pempolimeran. Bahan perwakilan termasuk sikloheksilbenzena, bifenil dan bahan lain.

Apabila bifenil digunakan sebagai bahan tambahan pra-caj, apabila voltan mencapai 4.5 hingga 4.7V, bifenil yang ditambah itu dipolimerkan secara elektrokimia, membentuk lapisan filem konduktif pada permukaan elektrod positif, meningkatkan rintangan dalaman bateri, dengan itu mengehadkan bateri perlindungan arus pengecasan.

2.2.2 Elektrolit cecair ion cecair ion sepenuhnya terdiri daripada yin dan kation.

Oleh kerana ion interi atau isipadu kationik lemah, perantaraan lemah, taburan elektron tidak sekata, dan oan-censun boleh bebas bergerak pada suhu bilik, iaitu cecair. Ia boleh dibahagikan kepada imidazole, pyrazole, pyridine, garam ammonium kuaterner, dll. Berbanding dengan pelarut organik biasa bateri ion litium, cecair ionik mempunyai 5 kelebihan: 1 kestabilan haba yang tinggi, 200 ° C tidak boleh terurai; 2 tekanan wap hampir 0, tidak perlu risau tentang bateri; 3 cecair ionik tidak mudah terbakar Tiada kekakisan; 4 mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi; 5 kestabilan kimia atau elektrokimia adalah baik.

AN atau seumpamanya membentuk PP13TFSI dan 1Mollipf6ec / Dis (1: 1) menjadi elektrolit, yang boleh mencapai kesan bukan bahan api sepenuhnya, dan menambah 2% berat liboB aditif dalam sistem ini untuk meningkatkan keserasian antara muka dengan ketara. Satu-satunya masalah yang perlu diselesaikan ialah kekonduksian ion dalam sistem elektrolit. 2.

2.3 Memilih kestabilan terma garam litium heksafluorofosfat (LiPF6) ialah garam litium elektrolit yang digunakan secara meluas dalam bateri litium-ion komoditi. Walaupun sifat tunggalnya tidak optimum, prestasi keseluruhannya adalah yang paling berfaedah.

Walau bagaimanapun, LiPF6 juga mempunyai kelemahannya, sebagai contoh, LiPF6 adalah kimia dan tidak stabil secara termodinamik, dan tindak balas berlaku: LIPF (6S) → LIF (S) + PF (5G), tindak balas yang dijana PF5 adalah mudah untuk menyerang pelarut organik dalam atom oksigen Kesepian kepada elektron, mengakibatkan pempolimeran gelung terbuka dan ikatan eter yang tinggi terutamanya pada suhu tinggi. Penyelidikan semasa mengenai garam elektrolit suhu tinggi tertumpu dalam medan garam litium organik. Bahan perwakilan adalah penting dengan garam berasaskan boron, garam litium berasaskan imina.

LIB (C2O4) 2 (liboB) ialah garam elektrolit yang baru disintesis dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Ia mempunyai banyak sifat yang sangat baik, suhu penguraian 302 ° C, boleh membentuk filem SEI yang stabil dalam elektrod negatif. Meningkatkan prestasi grafit dalam larutan elektrolitik berasaskan PC, tetapi kelikatannya adalah besar, impedans filem SEI terbentuk [14].

Suhu penguraian LIN (SO2CF3) 2 (Litfsi) ialah 360 ° C, dan kekonduksian ion pada suhu normal adalah lebih rendah sedikit daripada LiPF6. Kestabilan elektrokimia adalah baik, dan potensi pengoksidaan adalah kira-kira 5.0V, yang merupakan garam litium yang paling organik, tetapi ia kakisan serius cecair set asas Al.

2.2.4 Elektrolit Polimer Banyak bateri ion litium komoditi menggunakan pelarut karbonat mudah terbakar dan meruap, jika kebocoran berkemungkinan menyebabkan kebakaran.

Ini terutamanya bateri litium-ion berkuasa tinggi dengan ketumpatan tenaga tinggi berkapasiti tinggi. Daripada menggunakan elektrolit polimer yang tidak bertanggungjawab dan bukannya elektrolit cecair organik mudah terbakar, ia boleh meningkatkan keselamatan bateri litium-ion dengan ketara. Penyelidikan elektrolit polimer, terutamanya elektrolit polimer jenis gel telah mencapai kemajuan yang besar.

Pada masa ini, ia telah berjaya digunakan dalam bateri lithium-ion komersial. Menurut klasifikasi badan polimer, elektrolit polimer gel adalah penting dengan tiga kategori berikut: elektrolit polimer berasaskan PAN, elektrolit polimer PMMA, elektrolit polimer berasaskan PVDF. Walau bagaimanapun, elektrolit polimer jenis gel sebenarnya adalah hasil daripada kompromi elektrolit polimer kering dan kompromi elektrolit cecair, dan bateri polimer jenis gel masih mempunyai banyak kerja yang perlu dilakukan.

2.3 Bahan positif boleh menentukan bahawa bahan elektrod positif tidak stabil apabila voltan keadaan pengecasan melebihi 4V, dan mudah untuk menjana haba yang terlarut dalam suhu tinggi untuk mengurai oksigen, oksigen dan pelarut organik terus bertindak balas dengan sejumlah besar haba dan gas lain, mengurangkan keselamatan bateri [2, 17-19]. Oleh itu, tindak balas elektrod positif dan elektrolit dianggap sebagai punca penting haba.

Mengenai bahan biasa, memperbaiki kaedah umum keselamatannya ialah pengubahsuaian salutan. Untuk salutan permukaan bahan elektrod positif dengan MgO, A12O3, SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, ZrO2, dan lain-lain, boleh mengurangkan tindak balas Die +-belakang positif dan elektrolit sambil mengurangkan kromatografi elektrod positif, menghalang perubahan fasa bahan elektrod positif.

Meningkatkan kestabilan strukturnya, mengurangkan rintangan gangguan kation dalam kekisi, dengan itu mengurangkan tindak balas sekunder proses peredaran. 2.4 Bahan karbon pada masa ini menggunakan kawasan permukaan khusus yang rendah, platform cas dan nyahcas yang lebih tinggi, platform cas dan nyahcas yang kecil, kestabilan terma yang agak tinggi, keadaan terma yang agak baik, kestabilan yang agak tinggi, kestabilan yang agak tinggi, kestabilan yang agak tinggi.

Seperti mikrosfera karbon fasa pertengahan (MCMB), atau Li9Ti5o12 struktur spinel, yang lebih baik daripada kestabilan struktur grafit berlamina [20]. Kaedah untuk meningkatkan prestasi bahan karbon pada masa ini adalah penting untuk rawatan permukaan (pengoksidaan permukaan, halogenasi permukaan, pelapisan karbon, logam salutan, oksida logam, salutan polimer) atau memperkenalkan doping logam atau bukan logam. 2.

5 Diafragma yang digunakan pada masa ini dalam bateri lithium-ion komersial masih merupakan bahan poliolefin, dan kelemahan pentingnya ialah panas dan penyusupan cecair elektrolitik adalah lemah. Untuk mengatasi kecacatan ini, para penyelidik telah mencuba banyak cara, seperti mencari bahan kestabilan haba, atau menambah sedikit nanopowdia Al2O3 atau SiO2, yang bukan sahaja mempunyai diafragma biasa, tetapi juga mempunyai kestabilan haba bahan elektrod positif. guna.

MIAO et al, fabrikasi bukan tenunan nano polimida yang disediakan dengan kaedah putaran elektrostatik. Pencirian seperti DR dan TGA bermakna menunjukkan bahawa ia bukan sahaja dapat mengekalkan kestabilan terma pada 500 ° C, tetapi juga mempunyai penyusupan elektrolit yang lebih baik berbanding dengan diafragma CELGARD. WANG et al menyediakan membran mikroporous nanoskopik AL2O3-PVDF, yang mempamerkan sifat elektrokimia yang baik dan kestabilan terma, memuaskan penggunaan pemisah bateri litium-ion.

3 Ringkasan dan nantikan bateri litium-ion untuk kenderaan elektrik dan storan tenaga, yang jauh lebih besar daripada peralatan elektronik kecil, dan persekitaran penggunaan adalah lebih rumit. Ringkasnya, kita dapat melihat bahawa keselamatannya masih jauh dari penyelesaian, dan telah menjadi kesesakan teknikal semasa. Kerja-kerja seterusnya hendaklah mendalam kepada kesan haba yang mungkin terhasil oleh bateri selepas operasi yang tidak normal, dan mencari cara yang berkesan untuk meningkatkan prestasi keselamatan bateri ion litium.

Pada masa ini, penggunaan pelarut yang mengandungi fluorin dan bahan tambahan kalis api adalah arah penting untuk membangunkan bateri litium-ion jenis keselamatan. Bagaimana untuk mengimbangi prestasi elektrokimia dan keselamatan suhu tinggi akan menjadi tumpuan penyelidikan masa depan. Sebagai contoh, set bersepadu kalis api komposit berprestasi tinggi kamiran P, N, F, dan CL dibangunkan, dan pelarut organik yang mempunyai takat didih yang tinggi, takat kilat yang tinggi dibangunkan, dan penyelesaian elektrolitik dengan prestasi keselamatan yang tinggi dihasilkan.

Retardan api komposit, aditif dwi fungsi juga akan menjadi trend pembangunan masa hadapan. Mengenai bahan elektrod bateri lithium ion, sifat kimia permukaan bahan adalah berbeza, tahap kepekaan bahan elektrod pada potensi cas dan nyahcas adalah tidak konsisten, dan adalah mustahil untuk menggunakan satu atau terhad beberapa elektrod / elektrolit / aditif untuk semua reka bentuk struktur bateri. Oleh itu, pada masa hadapan, kita harus menumpukan pada pembangunan sistem bateri yang berbeza untuk bahan elektrod tertentu.

Pada masa yang sama, ia juga sedang membangunkan sistem bateri litium-ion polimer dengan keselamatan yang tinggi atau pembangunan elektrolit pepejal tak organik yang mempunyai pengangkutan ion konduktif dan cepat kation tunggal serta kestabilan suhu tinggi. Di samping itu, meningkatkan prestasi cecair ionik, membangunkan sistem sintetik yang mudah dan murah juga merupakan bahagian penting dalam penyelidikan masa depan.