La face avant avec une période de quatre jours, les documents traduits originaux de la batterie au lithium-ion pour les véhicules électriques « Matériaux de stockage d'énergie sur « » emballement thermique __gVirt_NP_NN_NNPS<__ mécanisme :. Un examen", le premier de plusieurs grands Xuning Feng finition littérature ici Points
1 Batterie au lithium de puissance, la croissance de la demande et la densité d'énergie augmentent en parallèle
À l'avenir, pendant une longue période de temps, avec la densité d'énergie de la batterie de plus en plus, le risque d'emballement thermique va augmenter.
Figure 1. Production de VE et demande de batterie au lithium-ion pour les véhicules électriques.
2. batterie véhicule électrique pur roadmap figure au lithium-ion: nécessite une vie plus longue et des lignes à faible potentiel sont la stabilité thermique.
La figure 2 montre l'EV. Le but est d'atteindre au moins 2020 avec une carte routière sur un niveau de la batterie lithium-ion de la batterie 300 Wh · kg-1, atteint 200 Wh · niveau kg-1 dans la batterie, ce qui indique que le électrique la plage totale du véhicule peut être étendue à 400 km ou plus. pour atteindre cet objectif, le matériau de cathode peut-être devenir riche Ni cathode NCM LiFePO4 (LFP *) et Li'Ni1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3 « O2 (NCM111) comme LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM622), LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) Li- ou de l'oxyde de manganèse riche et analogues, et le matériau d'anode peut avoir à être changé de carbone (y compris C graphite) Pour un mélange de Si et C.
2 Observation de la sécurité des véhicules électriques à batterie au lithium du point de vue de la probabilité
Du point de vue de la probabilité, les batteries lithium-ion défaillances auto-induite se produisent, mais à un très bas niveau de court-circuit interne auto-induite, également appelé court-circuit interne spontanée, sont considérés comme des causes possibles de défaillance de la batterie 787 (tableau 2 accident 4 et 5). pour EV, le taux d'échec auto-induit au niveau du véhicule peut être calculée en P = 1- (1-p) ^ (mn), où P m est considéré comme le taux d'échec du véhicule EV, EV, dans lequel chaque cellule le groupe comprend des batteries de n. Tesla Model S, par exemple, n = 7104, en supposant que le taux d'échec des cellules 18650 autoinducteur est de 0,1 ppm ou p, lorsque le nombre de l'EV est égal à m = 10 000, le taux d'échec P = 0,9992, ce qui indique que le taux d'échec d'environ 10 000 produits sont conçus avec un non qualifié. par rapport aux voitures conventionnelles (aux États-Unis, tous les 10 000 7,6 voiture de carburant a pris feu lors d'un accident d'incendie « 13 »), la probabilité d'accidents semblent être EV Bas plus
3 Abus de batterie lithium-ion de puissance
Abus de machines
Une force externe, les cellules de batterie au lithium, la batterie est déformée dans différentes parties de leur déplacement relatif, les principales caractéristiques de l'abus mécanique externe. Pour les piles primaires comprennent une forme de collision, l'extrusion et à la perforation. En tenant compte du niveau de la batterie , doivent également envisager des problèmes de vibration.
Quand un accident de voiture, la déformation de la batterie dans la batterie est susceptible de se produire sur le mode EV en réponse à une batterie disposée dans l'impact lors d'une collision de « 15 » peut provoquer une déformation de la batterie conséquences dangereuses: 1) et l'apparition d'un séparateur de batterie est déchiré Court-circuit interne (ISC) 2) Fuite d'électrolyte inflammable et inflammation possible L'étude du comportement d'extrusion de la batterie nécessite des investigations à plusieurs échelles du niveau du matériau jusqu'au niveau de la batterie.
Les articles affectent les propriétés mécaniques du matériau de chacune des conséquences mécaniques de la violence, et résumées en utilisant une variété de méthodes de modélisation et de simulation informatique pour prédire les abus mécaniques. En raison de l'abus mécanique apporte souvent dans un court-circuit, court-circuit externe, une fuite d'électrolyte, et ainsi apporter des effets thermiques processus, de sorte que la modélisation informatique de mécanique - électrique - établir le modèle de couplage thermique, batterie au lithium abus mécanique sous la forme du modèle le plus proche de la réalité, mais aussi prédire l'emballement thermique qu'il est urgent de faire une simulation informatique d'un petit partenaire peuvent explorer dans ce sens. .
abus mécaniques, sans doute le plus dangereux de perforation, le corps de batterie est inséré dans le conducteur, ce qui court-circuit direct positif et négatif, collision par rapport à l'extrusion, mais la probabilité d'apparition d'un court-circuit, la génération de chaleur au cours de la perforation plus sévère, ce qui provoque l'emballement thermique probabilité plus élevée précédemment, la perforation ISC est considéré comme une des méthodes d'essai alternatives. Cependant, la reproductibilité du test de l'acupuncture est contestée par le fabricant de la batterie. Certaines personnes pensent que la batterie lithium-ion densité énergétique plus élevée jamais par la norme Le test de perforation des ongles L'amélioration de la répétabilité de l'essai de perforation ou la recherche d'une méthode d'essai alternative reste un problème ouvert et difficile pour la recherche sur la sécurité des batteries au lithium-ion.
Il est à noter que, en Janvier de cette année après que l'article a été publié, liés à l'abus mécanique des normes nationales, un projet de la toile « véhicules électriques en utilisant les exigences de sécurité de la batterie lithium-ion, » le projet, recommande la suspension « acupuncture monomère » test Cela devrait faire partie du 'changement' que l'auteur prévoit.
Abus électrique
L'abus électrique des batteries au lithium comprend généralement des courts-circuits externes, des surcharges et des décharges excessives, dont plusieurs sont susceptibles de se transformer en emballement thermique.
court-circuit externe, lorsqu'une différence de pression existe deux conducteurs en dehors de la cellule est activée, un court-circuit externe se produit. court-circuit externe de la batterie peut être due à la déformation de l'accident du véhicule, inondant la contamination du conducteur lors de l'entretien ou similaires de choc électrique. par rapport à la perforation, en général, la chaleur dégagée par un court-circuit externe ne chauffe pas le court-circuit de la batterie de l'extérieur vers l'emballement thermique, ne peut être bien dispersé une partie importante de la température élevée intermédiaire lorsque la chaleur est produite par un court-circuit externe, la température de la batterie était Au fur et à mesure qu'il s'élève, une température élevée déclenche un emballement thermique, ce qui permet de couper le courant de court-circuit ou de dissiper l'excès de chaleur.
Surcharge, en raison de son énergie, l'abus est un des plus élevés danger électrique. La chaleur et de gaz au cours de surcharges deux caractéristiques communes. Ohmique chaleur générée par les réactions thermiques et secondaires. Tout d'abord, en raison de l'intercalation de lithium excessive, lithium croissance de dendrites sur la surface de l'anode. le point de départ de la croissance de dendrites de lithium de temps, déterminé par le rapport stoechiométrique de la cathode et de l'anode. Ensuite, la désintercalation de lithium provoquer un échauffement excessif dû à la structure de cathode et l'effondrement de libération d'oxygène (libération de l'oxygène cathodique NCA « 38 »). la libération d'oxygène accélère la décomposition de l'électrolyte, une quantité importante de gaz due à l'augmentation de la pression interne, la soupape d'échappement ouverte, épuiser la batterie commence. matière active avec de l'air après la mise en contact de la cellule, réagissent violemment libéré Beaucoup de chaleur La protection contre les surcharges peut être effectuée à partir de la gestion de la tension et du réglage du matériau.
Figure 5. Résultats du TR surchargé dans les batteries lithium-ion commerciales.
Overdischarge, la tension entre les cellules de la batterie était inévitable. Par conséquent, une fois que le BMS contrôlé ne spécifie pas une tension de cellule individuelle, la cellule ayant la tension la plus basse sera trop déchargée. Abus overdischarge et d'autres mécanismes différentes formes d'abus, un risque potentiel peuvent être sous-estimées. overdischarge lors, la cellule de batterie ayant la tension la plus faible peut être connectée en série avec d'autres cellules forcées décharge pendant la décharge forcée, une inversion de polarité, la tension de cellule devient négative , au fil de décharge et un échauffement anormal. overdischarge provoquée par dissolution transport d'ions de cuivre à travers la membrane est formé de dendrites de cuivre et ayant un potentiel plus faible du côté de la cathode. que la croissance continue d'augmenter, les dendrites de cuivre peuvent pénétrer dans le séparateur, ce qui entraîne de graves ISC.
6. overdischarge figure, court-circuit interne provoqué par la dissolution et le dépôt d'un collecteur de courant en cuivre causée par
Abus chaud
surchauffe locale peut être thermique typique d'abus se produit dans la batterie. chaleur existe rarement indépendamment un usage abusif souvent développé de mauvais traitements électriques et mécaniques, et sont directement déclenche la dernière partie de l'emballement thermique. Sauf en raison de mécanique / électrique abus d'addition surchauffe, la surchauffe peut être causée par un des contacts de connexion en vrac. desserrant la connexion de la batterie a été confirmée. analogique de l'abus thermique est actuellement la plupart des cas, l'utilisation d'un dispositif de commande de la batterie de chauffage, afin d'observer le processus de chauffage lors de la réaction .
Court-circuit interne
Un court-circuit interne, batterie contact direct positif et négatif avec, bien sûr, divers degrés de réaction de contact induite peut également varier d'abus mécanique générale largement ultérieure en raison de la chaleur et de masse ISC déclenchent directement TR. En revanche, le développement d'un court-circuit interne lui-même , étendue relativement faible, il génère moins de chaleur, ne déclenchera pas TR immédiatement la vitesse de libération d'énergie, ainsi que la longueur de rupture du séparateur à partir du degré du temps ISC varie TR. ISC est considéré comme provenant spontanément dans le processus de fabrication contamination ou défauts. pollution / défaut prendra plusieurs jours, voire des mois à se développer en ISC spontanée, long processus de gestation est des mécanismes assez complexes.
Figure 8. Court-circuit interne à trois étages.
RESUME réaction en chaîne et de l'énergie thermique pendant 4 libération incontrôlée de la Fig.
Le TR peut être expliqué par un mécanisme de réaction en chaîne représenté sur la figure 9 une fois que l'élévation de température anormale dans des conditions abusives, une réaction chimique se produit par une, formant une réaction en chaîne thermique - température - la réaction (HTR) est en boucle la cause profonde de la réaction en chaîne. pour être clair, la chaleur anormale apporter des piles élévation de la température, à partir des effets secondaires, par exemple, la réaction de vice de décomposition SEI libère plus de chaleur pour former le cycle HTR. boucle de circulation HTR à des températures très élevées jusqu'à l'électricité Les expériences de base TR.
La figure 9 montre l'utilisation d'un mécanisme de réaction en chaîne électrodes NCM / graphite PE et les revêtements céramiques du séparateur de batterie au lithium-ion dans le processus de TR « 70 ». Dans l'ensemble du processus de montée en température, la réaction de décomposition SEI entre l'anode et l'électrolyte, PE fondre la matrice, et la décomposition de la décomposition de l'électrolyte et analogues se produisent séquentiellement cathode NCM. une fois la chute de séparation revêtement céramique, un grand nombre de démoulage interne instantanée de court-circuit de puissance de la batterie, la combustion peut provoquer l'électrolyte TR. 9 seulement pendant le mécanisme de réaction en chaîne TR Fig. l'interprétation qualitative. expliquer quantitativement la boucle de réaction en chaîne de HTR, chacun des divers composants produisant des matériaux thermodynamiquement est nécessaire.
mécanisme TR basé sur un examen précédent '33, 63, 71 », nous vous proposons illustre la période de mécanisme de chaîne TR, appelée énergie est libérée dans. La figure figure La libération d'énergie, la première fois la littérature, pour considérer quantitativement le développement d'emballement thermique Le processus de définition des conditions d'emballement thermique.
9. réaction en chaîne par interprétation qualitative de la figure lors de l'emballement thermique.
Le diagramme de libération d'énergie est décrit en détail comme suit:
LFP fonctionnalités clés de décomposition de l'électrolyte, par exemple. De réaction chimique de température caractéristique comprennent la puissance de chauffage (Q), qui représente la vitesse de libération de chaleur et de l'enthalpie ([Delta] h), l'enthalpie de réaction représente l'énergie totale libérée au cours de. La température caractéristique comprend la réaction température de début (Tonset), la température de crête (a Tpeak) et la température d'extrémité (Tend). d'axe X de la Fig. 10 est une température caractéristique, par conséquent, la zone de réaction se situe dans une région dans la direction horizontale. région en forme de colline ayant une couleur (LFP vert ) représente la cinétique chimique LFP et la réaction de décomposition de l'électrolyte. forme en montagne est déterminée de façon unique par zone Tonset, Tpeak, Tend et Q .Q la détermination de la hauteur de la région en forme de colline, et Ah déterminer la position verticale de la montagne. conformément à la légende, toutes La cinétique chimique peut être représentée dans le diagramme de libération d'énergie de la figure 10, où la cinétique de tous les différents processus de réaction peut être comparée.
On insiste sur le principe: la figure Cette libération d'énergie est de 100% pour la batterie, la décomposition de l'anode de SOC et des matériaux de cathode sont prises en réaction en combinaison avec l'électrolyte.
Figure 10. Diagramme de libération d'énergie d'une batterie lithium-ion.
5 Améliorer la résistance de la batterie à l'emballement thermique
emballement thermique pendant la réaction d'anode qui se produit, la réaction de cathode qui se produit, comment le séparateur d'une position rétractée à l'état fondu, ce qui provoque un court-circuit interne massive. Pour plus de détails, voir (suite, suite de).
Discuter de la façon d'éviter un emballement thermique apporter de mauvaises conséquences, en termes d'amélioration de la sécurité de matériau d'électrode, électrolyte et séparateur trois composants principaux, introduit une variété de méthodes électrode modifiée, les additifs d'électrolyte et nouveau système d'électrolyte, ainsi que plus sûr diaphragme Type (suite)
6 Réduire le risque d'emballement thermique
Ici, principalement du contrôle de l'angle de propagation emballement thermique. Il y a un article devant « la robustesse de la conception de la batterie, avez-vous déjà remarqué absolument moyen (article complet) », impliqué dans la conception structurelle de la sécurité, la majorité C'est aussi dans la perspective de prévenir la propagation de l'emballement thermique que l'article «Mécanisme d'emballement thermique de la batterie lithium-ion pour véhicules électriques: Une revue« sur Energy Storage Materials »soulève spécifiquement des questions sur le temps de fuite. le temps d'évacuation de la voiture moins de 30 secondes, la durée du temps pour le bus d'évacuation est de 12 mètres cinq minutes, alors assurez-vous de réserver le temps d'échapper, il n'y a pas d'accident de garantie pendant certaine mesure, les gens ont été pris au piège. par conséquent, sévère TR 5 Il n'est pas permis de se propager en quelques minutes. »Ce numéro peut servir de référence quantitative pour la sécurité de notre conception de système.
7 Résumé
Documents sur les véhicules électriques ont effectué un examen complet avec une batterie lithium-ion commercial chaud du mécanisme de contrôle, a présenté le phénomène actuel, emballement thermique, la recherche sur les causes et les stratégies d'adaptation. Abus, y compris la violence mécanique, l'abus électrique et les contraintes thermiques. Un court-circuit interne est toutes les caractéristiques des conditions abusives les plus courantes. mécanisme de réaction en chaîne d'emballement thermique suivie dans le procédé de la réaction de décomposition d'un matériaux constitutifs de la cellule par un seul endroit. la réaction est proposé une énergie de tous les composants cellulaires Kinetics nouveau graphique de libération d'énergie pour expliquer le mécanisme de la réaction en chaîne lors de l'emballement thermique. deux cas, clarifier davantage la relation entre le circuit court et à l'emballement thermique. Enfin, les trois concepts de protection pour aider à réduire le risque d'emballement thermique.
