Visoka bezbednost nikl-litijumskih baterija je postala konsenzus, ali su poluprovodničke litijumske baterije sada podeljene
Tržište električnih vozila koje poštuje gustinu energije donelo je ogromne izazove bezbednosti baterija i kompletnih vozila. U 2018. godini u Kini su se dogodile 52 bezbednosne nesreće na milion električnih vozila. Što se tiče scena, punjenje, vožnja i parkiranje su sve scene u kojima se dešavaju bezbednosne nezgode.
Ako se analiziraju razlozi, 58% požarnih nezgoda je uzrokovano termičkim bežanjem litijumskih baterija. Skoro 90% toplotnog bekstva je uzrokovano kratkim spojevima. Na nivou ćelije, pozitivni i negativni materijali, elektrolit i dijafragma su direktan osigurač za toplotni bekstvo. Nakon grupisanja, kako suzbiti toplotnu difuziju u konstrukcijskom dizajnu, hlađenju i električnoj kontroli je povezano sa tim da li se rizik od toplotnog bekstva može smanjiti ili ugušiti.
Od 16. do 17. oktobra 2019. godine u Šangaju je održana konferencija o tehnologiji novih energetskih baterija za vozila sledeće generacije Kina-Japan-Koreja 2019. Konferencija je podeljena na dva foruma, teme su termička bezbednost baterija i rešenja i ključna tehnologija poluprovodnih baterija i izazovi industrijalizacije.
Forum 1, proizvođači originalne opreme, kompanije za električne baterije, poznati univerziteti, laboratorije i institucije za testiranje će razgovarati o uzrocima i rešenjima za termičko odbijanje baterija sa visokim sadržajem nikla, jer specifični energetski nivo baterija za napajanje nastavlja da raste. Forum 2 se bavi analizom različitih puteva tehnologije čvrstih baterija i statusa quo.
Sistem za uvid u termičku sigurnost
Puni životni ciklus akumulatora počinje od odabira sistema materijala, do završetka baterijske ćelije, oblikovanja modula i PAKOVA, upravljanja baterijom nakon instalacije i primene, do upotrebe u radu vozila.
Osnovni uzrok toplotnog bekstva je ćelija baterije. Pozitivne i negativne elektrode su"osigurač" a elektrolit je"skladište goriva". Treba samo"iskra" da izazove toplotni bekstvo ili požar.
& quot;Sparks" ili dolaze iz unutrašnjosti ćelije ili nastaju spolja. Unutrašnji faktori se uglavnom odnose na nestabilne faktore koji nastaju tokom dizajna i proizvodnje baterija; eksterni faktori se uglavnom odnose na razloge uzrokovane osobljem i spoljnim uslovima tokom transporta, ugradnje, rada i održavanja baterije.
Termički sigurnosni kvar baterije je uglavnom uzrokovan lokalnim pregrijavanjem, što uzrokuje kratki spoj unutar baterije, ili mikro kratki spoj uzrokuje oštećenje membrane baterije i kratak spoj veće površine.
Litijum-jonske baterije su nadograđene sa NCM111 i NCM523 na NCM622 i NCM811. Sadržaj nikla u ternarnom materijalu pozitivne elektrode nastavlja da raste, temperatura oslobađanja kiseonika nastavlja da opada, a termička stabilnost materijala pozitivne elektrode postaje sve gora i lošija. Smanjenje temperature oslobađanja kiseonika znači da je litijumska baterija otpornija na toplotu. Kako temperatura raste, materijal pozitivne elektrode prelazi iz slojevite strukture u strukturu spinela, a zatim formira kamenu so i oslobađa aktivni kiseonik. Rast kamene soli i oslobađanje kiseonika su osnovni problemi uzrokovani toplotnim bežanjem.
Elektrohemijska zloupotreba je najveći problem za fabrike baterija. U uslovima zloupotrebe kao što su termički šok, prekomerno punjenje i prekomerno pražnjenje, aktivni materijal i elektrolit unutar baterije će proizvesti litijum dendrite, koji probijaju dijafragmu i izazivaju unutrašnji kratki spoj. Evolucija litijuma u negativnoj elektrodi je glavni uzrok rasta litijum dendrita. Stoga je važno pitanje kako sprečiti litijum dendrite.
Kratki spoj pozitivne i negativne elektrode uzrokovan kvarom dijafragme je važan deo toplotnog bekstva. Kada se sigurnosni film SEI filma uništi, elektrolit reaguje sa elektrodom da bi stvorio toplotu, koja će istopiti dijafragmu. Štaviše, neprijatelj okrenut prema dijafragmi su litijum dendriti, koji ugrožavaju njen integritet i stabilnost.
Pored kvara baterije izazvanog unutrašnjim kratkim spojem, prekomernim punjenjem, starenjem baterije, itd., mehanički kvar u ekstremnim uslovima kao što su spoljni kratki spoj, ekstruzija, požar, uranjanje i simulirani sudar će se takođe pretvoriti u unutrašnji kratki spoj i izazvati električne kvar, što će na kraju dovesti do toplotnog bekstva.
Neki kvarovi i degradacije performansi do kojih može doći tokom punog životnog ciklusa baterije' dovešće do toga da se baterije koriste izvan opsega bezbedne upotrebe i da izazovu neke bezbednosne nezgode.
Fabrika baterija i OEM rade zajedno
Unutrašnji i spoljašnji uzroci toplotnog odlaska zahtevaju saradnju proizvođača baterija i OEM-a kako bi se obezbedilo sveukupno rešenje, uključujući pozitivne i negativne materijale, separatore, elektrolit, upravljanje baterijom i dizajn strukture PACK.
Za fabrike baterija, potražite elektrolite otporne na visok pritisak i visoke temperature, monokristalne katodne materijale otporne na visoke temperature, anodne materijale koji inhibiraju litijum dendrite ili koristite katode NMC811 obložene zaštitnim sredstvima da biste poboljšali suvoću. Primena francuske dijafragme uvodi keramičku dijafragmu za suzbijanje toplotnog bekstva na nivou ćelije.
Za OEM proizvođače, obraćanje pažnje na sigurnost same baterije nije dovoljno. Pored problema sa samom baterijom, električni priključak baterije, mehanička sigurnost, priključak za punjenje, problemi svakodnevnog korišćenja i brzo rešavanje problema su srž bezbednosti električnih vozila.
OEM's sistem zaštite baterije za napajanje je dizajniran i verifikovan sa četiri aspekta: monomer, modul, BMS i sistem. S jedne strane, sami proizvođači baterija obezbeđuju sigurnost u vezi sa dizajnom i proizvodnjom. S druge strane, proizvođači originalne opreme razmatraju mehaničku, električnu i termičku sigurnost iz perspektive sigurnosti modula, kao što su sigurnosni razmak, dizajn sile i zaštita.
Što se tiče strukture sklopa, proizvođači originalne opreme moraju uzeti u obzir različite uslove rada vozila, kao i rashladne cevovode, nove tehnologije hlađenja, rano upozorenje o toplotnom bekstvu i neproliferaciju. Istovremeno, moraju razmotriti aktivno gašenje požara i način gašenja požara kroz spoljne strukture.
Proizvođači originalne opreme generalno razmišljaju o tome kako da poboljšaju dizajn bezbednosti baterije sa nivoa sistema. Bilo da se radi o pozitivnim i negativnim materijalima elektroda, elektrolitima, dijafragmama, strukturnom dizajnu, hlađenju, termičkom upravljanju i upozorenjima iz predostrožnosti PACK-a nakon grupe, sve su to objekti OEM analize.
Bezbednost litijumskih baterija je velika tema, koja uključuje sve aspekte od materijala, proizvodnje do primene. Osiguravanje termičke sigurnosti električnih vozila zahtijeva saradnju OEM-a, fabrika baterija i institucija za testiranje kako bi se analizirao mehanizam termičkog bježanja i istražile nove tehnologije za odlaganje pojave termičkog bijega.
Različiti zvuci solid-state baterija
Kretanje električnih vozila napred ukazuje da specifični energetski standard akumulatora neće ići unazad. Primena pozitivnih i negativnih materijala visokog potencijala postala je trend, a NCM811 i silicijum-karbonske anode se sve više pojavljuju u tehničkim rutama fabrika baterija. Ali rizik od požara i dalje preti primenu baterija sa visokim sadržajem nikla. Zbog toga su proizvođači baterija i OEM-i skrenuli pažnju na čvrste elektrolite otporne na plamen i visok pritisak, nadajući se da će rešiti problem ravnoteže između specifične energije i sigurnosti.
Međutim, na ovoj konferenciji Kina-Japan-Koreja, stavovi kineskih i japanskih gostiju o istraživanju i primeni solid-state baterija su veoma različiti, što dovodi u pitanje inherentne stavove industrije' o čvrstim baterijama . U odnosu na usaglašene napore sajta za bezbednosno rešenje sa visokim sadržajem nikla, lokacija sa čvrstim baterijama napreduje u razlikama.
Japanski 30-godišnji stručnjak za solid-state baterije dr Tadahiko Kubota, bivši japanski stručnjak za jezgro baterija Tojote i Honde Ogi Eiki, komentariše trenutno stanje istraživanja čvrstih baterija može se opisati kao"pesimističan" ;. Prilično je teško primeniti čvrste baterije na električna vozila. S druge strane, domaće fabrike baterija kao što su Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Kineska akademija nauka, Univerzitet Tongji i Šangajski Jiaotong univerzitet neumorno rade na čvrstim baterijama.
Mišljenja japanskih stručnjaka mogu se sažeti na sledeći način: Toyota Sulfide je još uvek u fazi istraživanja i razvoja, a masovna proizvodnja je nemoguća sa trenutnim nivoom tehnologije. Njena prvobitna namera razvoja solid-state baterija bila je smanjenje baterija za hibridna vozila. Spoljni svet pogrešno veruje da se čvrste baterije koriste u električnim vozilima. Ovo je razlika između Tojotinog' unutrašnjeg razmišljanja i eksternog javnog mnjenja.
Što se tiče bezbednosti, čvrste baterije takođe mogu da proizvode litijum dendrite, a bezbednost je veoma zabrinjavajuća. A sudeći o njegovoj sigurnosti ne može se suditi po tome da li je elektrolit zapaljiv. Najvažniji problem je direktan kontakt između pozitivne elektrode i negativne elektrode sa velikom gustinom energije.
Potpuno čvrste baterije mogu povećati gustinu energije, jedan od razloga je taj što se spoljni materijali mogu smanjiti. Ali ovo nije samo karakteristična karakteristika potpuno čvrstih baterija.
Što se tiče brzog punjenja, Toyotin&rad i većina istraživača nisu potvrdili nijedan dokaz da se sve solid-state baterije mogu brzo puniti. Svi su rekli da se litijum dendriti formiraju tokom punjenja. Što više ljudi razume potpuno čvrste baterije, to više poriču da se one mogu brzo napuniti.
Većina patenata Tojote' u protekloj deceniji odnosi se na impedanciju. Proučava se ovaj problem od pre deset godina i još uvek je veliki problem.
Pogledi domaćih fabrika baterija: Širenje pravih požara direktno je povezano sa organskim tečnim elektrolitima. Čvrsti elektroliti u rasponu od polimera do keramičkih elektrolita mogu poboljšati sigurnost baterije u različitim stepenima. U pogledu bezbednosti i gustine energije, čvrste baterije su poboljšane u poređenju sa konvencionalnim tradicionalnim litijum-jonskim baterijama u prošlosti. Pretpostavka je da moramo da imamo dobru tehnologiju da rešimo problem interfejsa i da obezbedimo da se čvrsti elektrolit može prilagoditi dizajnu baterije i ispuniti zahteve energetske baterije visokog odnosa.
Verujemo da solid-state baterije imaju prednosti u nekim aspektima. Kada se dijafragma i elektrolit zamene čvrstim supstancama, imaće veću sigurnost. Kada se poveća bezbednosni prag celog sistema, ovaj sistem može da koristi pozitivne i negativne materijale visokog potencijala, kao što su litijum metalne negativne elektrode, i imaće veću gustinu energije u budućnosti.
Trenutno razmišljanje je da bude kompatibilan sa postojećom opremom za litijumske baterije i tehnologijom litijumskih baterija što je više moguće i da se što više smanji trošak. Pošto poluprovodničke baterije imaju veliku gustinu energije i visoku sigurnost, one se mogu prvo koristiti u nekim posebnim situacijama.
Prednost gustine energije čvrstih baterija relativno nije očigledna na nivou ćelije, a izraženija je na nivou PACK. Do 2021. godine, solid-state baterije će koristiti aktivne materijale sa većim stepenom iskorišćenja, a gustina energije na nivou ćelije biće ista kao kod tečnih baterija, a zatim će je postepeno nadmašiti.
Iako domaći i inostrani stručnjaci imaju sporove oko gustine energije i bezbednosti čvrstih baterija, u osnovi smatraju da je komercijalna primena čvrstih baterija dug proces kako bi se rešili neki od nedostataka tečnih baterija. Stoga se solid-state baterije mogu prvo uvesti iz oblasti motocikala i potrošačke elektronike, a zatim ući u polje električnih vozila kada su tri dimenzije bezbednosti, performansi i cene zrele.
