Por que o calor da bateria está fora de controle? É a razão do curto-circuito?

Autor: Iflowpower – Fornecedor de estação de energia portátil

A bateria de lítio de alta potência é a queridinha da indústria de baterias hoje em dia, porém, quanto maior a energia, maior a segurança. O mecanismo de falha da bateria também é muito complicado. Ao estudar o mecanismo de controle térmico da bateria, as pessoas já conseguiram analisar a resposta térmica a um único módulo de bateria, como cátodos, ânodos, diafragmas e eletrólitos.

Por exemplo, o encolhimento do diafragma ou o fechamento incompleto tendem a aumentar a densidade de corrente, resultando em superaquecimento local ou até mesmo causando o descontrole térmico da bateria. Portanto, a preparação de um diafragma de alta estabilização térmica é uma das maneiras de melhorar a segurança da bateria. No entanto, o problema é: como o diafragma estabilizador de febre alta resolve o problema de segurança da bateria? O eletrólito sólido completo altamente procurado de hoje (o eletrólito de cerâmica sólida e polímero substitui o diafragma e o eletrólito tradicionais), pode reduzir completamente a segurança da bateria? Recentemente, a Equipe Ouyang Ming Te da Universidade Qinghua destacou que o design de segurança da bateria de lítio de energia não é apenas para melhorar a segurança de um único material, mas deve começar do nível do sistema.

O autor leva em consideração os fatores do nível da bateria e do nível do material, e o mecanismo de controle térmico da bateria de lítio de potência é estudado. O estudo é baseado em grafite como ânodo, camada monocristalina Li0,5Mn0.

3CO0.2O2 (NMC532) é uma bateria de lítio de potência do tipo 25aH do tecido não tecido PET/cerâmica como diafragma. Os autores analisam o gás catódico, a transformação estrutural (fase) e a geração de calor quando não há ânodo, quando há um estado ativo, e o cátodo é analisado.

É proposto que se o cátodo liberar O2 puder reagir com um ânodo, será um sério problema de segurança em potencial! Por meio das duas partes do experimento do mecanismo de segurança de projeto, o autor primeiro conduz o teste de arco de toda a bateria, seguido pelos vários componentes da bateria. Entre eles, o teste EV-ARC registra todo o processo de descontrole térmico da bateria, e verifica-se que a temperatura de perda de calor da bateria é ainda menor do que a temperatura de contração térmica da membrana, indicando que a bateria não ocorreu devido à falha da passagem. Curto-circuito em grande área.

Este é o primeiro relato sem o descontrole térmico no caso de curto-circuito interno. Para estudar mecanismos específicos de condução de calor, a equipe usa a tecnologia DSC para analisar o fluxo de calor (cátodo, ânodo, eletrólito e combinação destes) de diferentes componentes da bateria; usa a tecnologia XRD de alta temperatura on-line para determinar o cátodo durante o aquecimento e a decomposição térmica. Além disso, o autor usa a tecnologia de análise térmica síncrona (DSC-TG) e espectrometria de massa (MS), detectando calor, perda de peso e processo de liberação de gás. Para confirmar ainda mais a conclusão, o autor congelará rapidamente o nitrogênio líquido em 206 ¡ã C, uma série de testes subsequentes, incluindo testes SEM, ICP-OES e XPS, incluindo testes SEM, ICP-OES e XPS.

Figura 1 Propriedades básicas da bateria de lítio de potência: a. Desempenho circulante e eficiência Kurun; b. Desempenho de ultra-alta velocidade A bateria de lítio de alta potência apresenta bom desempenho de ciclo e desempenho de ampliação.

A capacidade de descarga na primeira semana é de 25,04 Ah, ainda é de 24,08 Ah após 292 semanas, e a taxa de retenção de capacidade é de até 96%.

Mesmo a 4 °C, ainda há capacidade de 21,5 Ah. Figura 2 Medindo o descontrole térmico da bateria de lítio de potência usando EV + ARC.

A pequena imagem é a fase do piloto automático (0-105s), os autores usam EV + ARC para monitorar o descontrole térmico da bateria de lítio. T1 é a temperatura inicial do autoaquecimento, T2 é a temperatura térmica fora de controle (TR), T3 é a temperatura mais alta. T1 é 115.

2 ¡ã C. Registro exato do instrumento sob este processo de aumento de temperatura (T1→T2) reação química secundária. Primeiro, a decomposição do filme SEI do ânodo faz com que o ânodo exposto ao eletrólito forme um novo filme SEI, e o calor também é calor; o SEI é constantemente repetido, resultando no desaparecimento e no aumento dos componentes inorgânicos do componente carbonato da superfície do ânodo; a reação lateral ocorre, fazendo com que a temperatura aumente até a temperatura de perda de calor TR (T2 = 231 ¡ã C).

Neste momento, o índice de temperatura da bateria está aumentando e a reação exotérmica é extremamente intensa. Com a bateria, uma grande quantidade de fumaça é liberada; além disso, a expansão do volume da bateria é muito óbvia, o que prova que a reação lateral exotérmica desse processo é causada por um gás. Após atingir T2, a temperatura da bateria, em poucos segundos, aumenta rapidamente para 815 ¡ã C para atingir o valor mais alto T3.

Figura 325AHSC-NMC532 / caracterização térmica fora de controle do grafite A. A relação entre a taxa de perda de calor, a taxa de aumento da temperatura, a voltagem da bateria e a resistência interna e a temperatura absoluta; B. Antes da perda de calor, a resistência interna acompanha a mudança absoluta de temperatura (parte da figura). Quando a temperatura está fora de controle, a voltagem da bateria varia com as temperaturas absolutas, resultando em um estudo mais abrangente da reação interna da bateria.

Quando os autores são testados, as mudanças em tempo real de voltagem e resistência interna são registradas. Figura 3A, após o ponto de inflexão da taxa de aumento da temperatura ocorrer após 160 ¡ã C, T1 (115,2 ¡ã C), que está relacionado à formação repetida do SEI e à decomposição do LiPF6, este processo acelera a produção de calor e gás.

A variação de tensão mostra que ocorre o descontrole térmico (T2 = 231 ¡ã C), a tensão é mantida acima de 2,0 V, o que comprova que não há curto-circuito. As alterações na resistência interna da bateria são divididas em quatro fases: estágio I ( <145 ¡ã C), the internal resistance is slow to 22.

1M. Menor dependência; estágio II (145175 ¡ã C), resistência interna 22,1m→143.

3m. O saco da bateria é quebrado a 145 ¡ã C, acelera o ataque do eletrólito, causando um aumento na resistência interna; o aumento na impedância do cátodo também aumenta a resistência interna da bateria; a decomposição da superfície do ânodo SEi causa novos componentes inorgânicos crescentes, reduzindo a condutância iônica, também resultando em aumento da resistência interna da bateria; estágio III (180231 ¡ã C), resistência interna 143,3m→56.

5m. Antes da perda de calor, a redução da resistência interna é devida à dissolução do metal de transição e à decomposição do sal de lítio, será confirmada posteriormente; estágio IV (> 231 ¡ã C), resistência interna 56,5m→1011.

2m. Após a perda de calor, a bateria queima, a voltagem cai rapidamente em poucos segundos e a resistência interna sobe rapidamente para 1011,2 m.

Neste momento, o diafragma está desintegrado e a bateria está completamente danificada. Figura 4Estrutura de vedação não tecida de cerâmica PET e estabilidade térmica: Tecidos não tecidos de cerâmica PET após teste de estabilidade térmica (temperatura ambiente de 450 ¡ã C), varredura SEM, temperatura ambiente e morfologia de 450 ¡ã C e mapeamento de elementos Após 500 ¡ã C em temperatura ambiente, o fluxo de calor DSC e a perda de peso TGA do diafragma foram perdidos, a taxa de aumento de temperatura foi de 10 ¡ã C / min; Diafragma de tecido não tecido de cerâmica PET, a ilustração de uma foto SEM ampliada de Al2O3; vista transversal, partículas de Al2O3 As fibras de tecido não tecido PET envoltas em diafragma PP e PE convencional mostraram excelente estabilidade térmica. Conforme mostrado na Figura 4A, a 230 ¡ã C por 30 min, ocorre apenas uma pequena contração térmica (1.

2%). Conforme mostrado na Figura 4B, o PET é derretido com transferência de calor a 257 ¡ã C e degradação de peso a 432 ¡ã C. O SEM da Figura 4C indica que as nanofibras de PET não tecidas estão incorporadas em partículas cerâmicas, não em um revestimento duplo de partículas cerâmicas.

A seção SEM da Figura 4C indica que o diafragma é 19.5μM Figura 5 Teste as condições de condução de calor de cada componente da bateria do estado de carga através do DSC: a. Quando a solução eletrolítica está presente, o eletrodo de carga (Ce); b.

Na presença de eletrólito, o eletrodo de carga. Um ânodo; cátodo CA; eletrólito ELE; eletrodo carregador CE A Figura 5a indica que o cátodo e o ânodo são muito menores do que a geração de calor do cátodo e da coexistência do ânodo; A Figura 5B mostra que a presença ou ausência de eletrólito Não há impacto significativo. Portanto, independentemente da presença do eletrólito, misture o cátodo e o ânodo, haverá muito calor.

O autor especula que há um uso mútuo entre o cátodo e o ânodo, o que pode ser uma reação química. Figura 6 Transformação estrutural, geração de calor e liberação de O2 do material do cátodo de carga: a. XRDB de alta temperatura.

Em diferentes temperaturas, o calor e a liberação no local do sistema DSC e TGA-MS são medidos quando a alta temperatura, Dithodium NMC Não estável, a transformação estrutural acompanhará a liberação de O2. O autor especula que a causa do descontrole térmico é a liberação do uso mútuo entre o O2 e o ânodo. A Figura 6A mostra que o NMC 532 começa a mudar a transição da estrutura em camadas para a estrutura espinélio a 350 ¡ã C até 350 ¡ã C.

A Figura 6B mostra que a curva MS do estudo das curvas DSC de calor e a liberação de O2 são consistentes com a variação estrutural, e há um pico em 276 ¡ã C, significando séria transformação de fase. A Figura 7 está entre o cátodo do estado de carga e o ânodo, interferência entre o nível de reação química: um cátodo de carga separado, um pico de forte liberação de oxigênio; no entanto, quando o cátodo e o ânodo do estado de carga estão presentes, basicamente não há dosagem. No entanto, no mesmo intervalo de temperatura, a produção de calor é significativamente maior, e o estado de carga é liberado em altas temperaturas com base no esquema de interferência mútua da reação química, e apenas uma pequena quantidade de calor é liberada; quando há um ânodo, o calor do O2 fica fora de controle. Portanto, para a segurança do sistema mecânico de bateria de lítio, o sistema de gerenciamento térmico deve intervir antes que o calor saia do controle, caso contrário, será difícil evitar que a bateria seja acionada, mesmo que o nitrogênio líquido tenha a função de dissipação de calor mais forte.

Figura 8 Durante a ocorrência de perda de calor, a caracterização do nitrogênio líquido é congelada pelo nitrogênio líquido, a curva de mudança do nitrogênio líquido, temperatura da bateria e voltagem é adicionada a 206 ¡ã C, e a ilustração é a superfície frontal (I) e a superfície lateral da bateria após o resfriamento com nitrogênio líquido (II) Foto; Estrutura de laminação tipo Z e bateria após o resfriamento em nitrogênio líquido a 206 ¡ã C, foto nitrogênio líquido no cátodo interno, ânodo e diafragma, rapidamente até -100 ¡ã C na bateria de 206 ¡ã C, embora o lado da bolsa pré-bateria seja reforçado (Figura 8A). A Figura 8B mostra o módulo de bateria decomposto, sem furos visíveis ou danos na superfície, indicando que ele mantém a estabilidade da tensão e previne efetivamente o curto-circuito; a superfície do cátodo e o diafragma correspondente são de faixa preta, que é a deposição de metais de transição Ni, CO, MN. Não é significativo.