Die Vorderseite mit einem Vier-Tage-Frist, die ursprünglich übersetzten Dokumente von Lithium-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge „Energiespeichermaterialien auf‚“thermal runaway Mechanismus :. Eine Bewertung", die erste von mehreren großen Xuning Feng Finishing hier Literatur Punkte.
1 Power Lithium-Batterie, Nachfrage Wachstum und Energiedichte erhöhen sich parallel
Mit steigender Batterieenergiedichte wird das Risiko eines thermischen Durchbrennens in der Zukunft lange anhalten.
Abbildung 1. Nachfrage nach EV-Produktion und Lithium-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge.
Abbildung 2. Entwurf für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für reine Elektrofahrzeuge: Der Bedarf an längeren Batterielebensdauer und Subtext ist ein Material mit geringerer thermischer Stabilität.
Abbildung 2 zeigt die EV. Das Ziel zu erreichen, ist nicht weniger als 2020 mit einer Straßenkarte auf einem Lithium-Ionen-Batteriezustand der Batterie 300 Wh · kg-1, erreicht 200 Wh · kg-1-Ebene im Batteriepack, das dass die elektrischen anzeigt der Gesamtbereich des Fahrzeug bis 400 km oder mehr verlängert werden. dieses Ziel zu erreichen, das Kathodenmaterial reicht Ni Kathode NCM von LiFePO4 (LFP *) und Li'Ni1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3 ‚O2 (NCM111) worden ist als LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM622) aus Kohlenstoff (einschließlich Graphit C) verändert LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) Li- oder Mangan-reiche Oxid und dergleichen, und das Anodenmaterial haben werden kann Für eine Mischung aus Si und C.
2 Beachten Sie die Sicherheit von Lithium-Batterie-Elektrofahrzeugen aus Sicht der Wahrscheinlichkeit
Von der Wahrscheinlichkeit Sicht treten die Lithium-Ionen-Batterien selbstinduzierte Ausfälle, aber auf ein sehr niedriges Niveau von selbstinduzierten internem Kurzschluss, auch spontaner interner Kurzschluss genannt, mögliche Ursachen für das Versagen der Batterie 787 (Tabelle berücksichtigt werden 2 Unfall 4 und 5). für EV kann die Fahrzeug-Niveau selbstinduzierten Ausfallrate durch P = 1- (1-p) ^ (mn) berechnet werden, wobei P m die Ausfallrate des Fahrzeug EV, EV wobei jede Zelle betrachtet wird die Gruppe umfasst n-Batterien. Tesla Model S als ein Beispiel, n = 7104, 18.650 Autoinducer Zellenausfallrate von 0,1 ppm oder P unter der Annahme ist, wenn die Anzahl der EV gleich m ist = 10.000, die Ausfallrate P = 0,9992, was darauf hinweist, dass die Ausfallrate von etwa 10.000 Produkten mit dem uneingeschränkten ausgelegt ist. im Vergleich zu herkömmlichen Autos (in den Vereinigten Staaten, alle 10 000 7,6 Kraftstoff Auto fing Feuer von einem Feuerunfall ‚13‘), scheint die Wahrscheinlichkeit von Unfällen EV zu sein Niedrig mehr.
3 Missbrauch der Lithium-Ionen-Batterie
Maschinenmissbrauch
Eine externe Kraft, Lithiumbatteriezellen, wird das Batteriepack in verschiedenen Teilen ihrer Relativverschiebung verformt, die wichtigsten Merkmale des externen mechanischen Missbrauchs. Für Primärbatterien eine Kollisionsform, Extrudieren und Einstich umfassen. Unter Berücksichtigung die Höhe des Batteriepacks , müssen auch Schwingungsprobleme in Betracht ziehen.
Wenn ein Autounfall, ist die Verformung des Batteriesatzes in der Batteriegruppe wahrscheinlich auf dem EV-Modus in Reaktion auf ein Batteriepack in dem Aufprall während einer Kollision von ‚15‘ angeordnet ist auftreten kann Verformung der Batteriesatz gefährlichen Konsequenzen führen: 1) und das Auftretens eines Batterieseparators zerrissen interner Kurzschluss (ISC) ;. 2) und kann zur Leckage von entflammbaren Elektrolyten Extrusions Abbrandverhalten des Batteriesatzes sein muss mehrskaligen Studium der Materialebene, die Zellebene auf die Höhe des Batteriesatzes führen.
Artikel beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Materials von jedem der mechanischen Folgen des Missbrauchs und zusammengefasst eine Vielzahl von Computermodellen und Simulationsmethoden mit mechanischem Missbrauch prognostizieren. Aufgrund mechanischer Beanspruchung bringt oft in Kurzschluss, externen Kurzschluss, Auslaufen von Elektrolyten und damit thermische Effekte bringen Prozess, so dass die Computermodellierung von mechanisch - elektrische - schafft eine thermische Kopplung Modell, Lithium-Batterie mechanische Beanspruchung in Form des Modells der Wirklichkeit am nächsten, aber auch die thermischen Instabilität die dringende Notwendigkeit, prognostiziert eine Computersimulation eines kleinen Partners zu tun, kann in dieser Richtung zu erkunden. .
Mechanischer Missbrauch, die gefährlichste zweifellos Punktierung wird der Batteriekörper in den Leiter eingeführt wird, was zu einem positiven und negativen direktem Kurzschluss, Kollision im Vergleich zur Extrusion, aber die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Kurzschlusses, die Wärmeerzeugung während des Einstichs schwerere, thermal runaway Verursachung zuvor höhere Wahrscheinlichkeit, pannen ISC ist eine alternativen Testmethoden in Betracht gezogen. Allerdings Akupunktur Testwiederholbarkeit wird vom Batteriehersteller in Frage gestellt. Einige Leute, dass höhere Energiedichte Lithium-Ionen-Akku nie denken, durch Standard Stachel-Test. Penetrationstest Wiederholbarkeit verbessern oder eine alternative Testmethode zu finden, ist noch eine offene und herausfordernde Forschungsfragen der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien.
Es ist erwähnenswert, dass im Januar dieses Jahr, nachdem der Artikel veröffentlicht wurde, im Zusammenhang mit mechanischem Missbrauch von nationalen Normen, ein Entwurf des Tuches „Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterie Sicherheitsanforderungen,“ den Entwurf, empfiehlt die Aussetzung ‚Monomer Akupunktur‘ Erwähnen Test Dies sollte Teil der "Änderung" sein, die der Autor voraussieht.
Elektrischer Missbrauch
Lithium elektrischer Missbrauch, typischerweise einen Außenkurzschluß umfassend, Überladung, Überentladung von mehreren Formen, die höchstwahrscheinlich in thermal runaway zu entwickeln, gehört zu den Überladungs.
während der Wartung oder dergleichen eines elektrischen Schlags externen Kurzschluss, wenn eine Druckdifferenz existiert zwei Leiter außerhalb der Zelle eingeschaltet ist, ein externer Kurzschluss stattfindet. externer Kurzschluß der Batteriepackung verursacht werden kann aufgrund der Verformung des Fahrzeugaufpralls, die Kontaminierung Leiter überfluten. mit dem Einstich verglichen, um die Batterie Kurzschluss von außen nach thermal runaway wird die Wärme, die durch eine externen Kurzschluss veröffentlicht wird, ist ein wichtiger Teil der Zwischen hohen Temperatur, wenn Wärme durch einen externen Kurzschluss erzeugt wird, kann nicht gut dispergiert werden, wobei die Temperatur der Batterie im allgemeinen, nicht Wärme wurde Wenn es ansteigt, löst eine hohe Temperatur ein thermisches Durchgehen aus, daher ist das Abschalten des Kurzschlussstroms oder das Ableiten überschüssiger Wärme eine Methode, um den externen Kurzschluss vor weiterer Beschädigung zu unterdrücken.
Überladungs, wegen seiner vollen Energie, der Missbrauch ist eine der höchsten elektrischen Gefahr. Wärme und Gas während der Überladung zwei gemeinsame Merkmale. Ohmscher Wärme von der Hitze und Nebenreaktionen. Zum einen durch zu hohe Lithium-Interkalation, Lithiumdendriten Wachstum auf der Anodenoberfläche. Lithiumdendriten Wachstumsstartzeitpunkt, bestimmt durch das stöchiometrische Verhältnis der Kathode und Anode. Als nächstes wird die Lithium Deinterkalation Ursache übermäßige Erwärmung aufgrund der Kathodenstruktur und die Sauerstofffreigabe Zusammenbruch (NCA Kathode Sauerstoff-Freisetzungs ‚38‘). die Freisetzung von Sauerstoff Zersetzung des Elektrolyten beschleunigt wird, eine große Menge Gas aufgrund des Innendrucks zu erhöhen, öffnet sich das Auslassventil, um die Batterie erschöpfen beginnt. Aktivmaterial mit Luft, nachdem die Zelle in Kontakt, reagieren heftig veröffentlicht Viel Wärme.Überladungsschutz kann sowohl durch Spannungsmanagement als auch Materialanpassung erfolgen.
Abbildung 5. Die Ergebnisse von überladenen TR in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien.
Überentladungs, die Spannung zwischen den Batteriezellen waren unvermeidbar. Dementsprechend, sobald die überwachte BMS jede einzelne Zellenspannung angeben, scheiterten, Zelle, die die niedrigste Spannung aufweist, wird übermäßig entladen werden. Überentladungsmissbrauch und andere Mechanismen verschiedene Formen des Missbrauchs, ein potentielles Risiko unterschätzt werden können. während der Überentladung die Batteriezelle, die die niedrigste Spannung aufweist, kann mit anderen Zellen gezwungen Entladung während Zwangsentladung, Umpolung, die Zellenspannung wird negativ in Reihe geschaltet werden, , über die Entlastung und anomale Erwärmung. über~~POS=TRUNC durch gelösten Kupferionentransport durch die Membran verursacht wird, aus Kupfer Dendriten und mit einem niedrigeren Potential auf der Kathodenseite gebildet. B. Wachstum steigt weiter an, die Kupferdendriten den Separator durchdringen können, was zu schweren ISC.
Abbildung 6. Überentladung, interner Kurzschluss durch Auflösung und Abscheidung von Kupfer-Stromabnehmern
Heißer Missbrauch
Lokale Überhitzung kann typische thermische Missbrauch tritt in dem Batteriepack. In seltenen Fällen unabhängig Missbrauch Wärme existieren, Missbrauch oft von elektrischen und mechanischen Missbrauch entwickelt und sind löst direkt den letzten Teil von thermal runaway. Außer durch mechanische / elektrische Missbrauch von Überhitzungen zusätzlich Überhitzung kann durch einen lose Verbindung Kontakte verursacht werden. die Batterieverbindungs Lösen wird bestätigt. thermischer Missbrauch analog ist derzeit der am meisten Fall die Verwendung einer Heizbatterie Steuervorrichtung, um den Erwärmungsprozess in der Reaktion zu beobachten, .
Interner Kurzschluss
Ein interner Kurzschluss, Batterie positiver und negativer direkter Kontakt mit, natürlich, verschiedene Grade der Kontaktinduzierte Reaktion auch weit anschließenden Wärme aufgrund Missbrauch mechanischen allgemeines variieren können und Massen ISC direkt TR auslösen. Im Gegensatz dazu ist die Entwicklung eines internen Kurzschlusses selbst relativ geringer Umfang, erzeugt sie weniger Wärme, wird nicht sofort TR Energiefreisetzungsrate auslösen sowie Länge des Abscheiders aus dem Grad der ISC Zeit bricht TR variiert. ISC betrachtet wird, mich spontan in dem Herstellungsprozess stamm Verunreinigungen oder Defekte. Verschmutzung / Defekt mehrere Tage dauern oder sogar Monate in spontane ISC zu entwickeln, ist lange Trag Prozess recht komplexen Mechanismen.
Abbildung 8. Dreistufiger interner Kurzschluss.
4 Übersicht über Kettenreaktionen während thermischer Durchgehens- und Energiefreisetzungsdiagramme
Die TR kann durch einen Kettenreaktionsmechanismus in 9, sobald die eine chemische Reaktion durch einen abnormen Temperaturanstieg unter missbräuchlichen Bedingungen gezeigt, erklärt werden, auftreten wird, eine thermische Kettenreaktion bildet - Temperatur - die Reaktion (die HTR) schlaufen die Ursache der Kettenreaktion. um es klar, ungewöhnliche Hitze bringt Batterien Temperaturanstieg, beginnend Nebenwirkungen, beispielsweise WäRE Zersetzung Vice Reaktion mehr Wärme abgibt HTR Zyklus zu bilden. HTR Kreislauf bei sehr hohen Temperaturen, bis Strom Der Kern erfährt TR.
Abbildung 9 zeigt die Verwendung eines Kettenreaktionsmechanismus NCM / Graphitelektroden PE und die keramischen Beschichtungen des Lithium-Ionen-Batterie-Separators in dem Prozess der TR ‚70‘. In dem gesamten Prozess der Temperaturerhöhung, die WäRE Zersetzungsreaktion zwischen der Anode und dem Elektrolyten, PE schmelzen der Matrix und die Zersetzung der Elektrolytzersetzung und dergleichen auftreten sequentiell NCM Kathode. Sobald der Separator collapse Keramikbeschichtung, eine große Anzahl von internen Kurzschlußschnellauslöser der Batterieleistung, die Verbrennung des Elektrolyten TR verursachen. 9 nur während der Kettenreaktionsmechanismus TR Fig. die qualitative Interpretation. um quantitativ die HTR-Kettenreaktion-Schleife zu erläutern, wobei jeder der verschiedenen Komponenten der Herstellung thermo Materialien notwendig.
TR-Mechanismus, basierend auf einer vorherigen Bewertung '33, 63, 71‘, schlagen wir vor, veranschaulicht die Kettenmechanismus Periode TR, bezeichnet als Energie in Figur freigegeben wird. Fig die Energiefreisetzung, wobei die erste Zeit der Literatur beschrieben, quantitativ die Entwicklung von thermal runaway Berücksichtigung Der Prozess der Definition von thermischen Instabilitäten.
Abbildung 9. Qualitative Erklärung der Kettenreaktion während des thermischen Durchbrennens.
Das Energiefreisetzungsdiagramm wird im Detail wie folgt beschrieben:
LFP Hauptmerkmale zu einer Zersetzung des Elektrolyten zum Beispiel. Charakteristische Temperatur chemische Reaktion umfasst Heizleistung (Q), die die Wärmefreisetzungsrate und die Enthalpie ([Delta] h), die Reaktionsenthalpie repräsentiert die Gesamtenergie freigesetzt während. Charakteristische Temperatur gekennzeichnet, dass man Onset-Temperatur (Tonset), Spitzentemperatur (a Tpeak) und einer Endtemperatur (Tend). X-Achse von Fig. 10 eine charakteristische Temperatur ist daher die Reaktionszone in einem Bereich in der horizontalen Richtung. hügelförmigen Bereich mit einer Farbe (grün LFP befindet ) stellt LFP chemische Kinetik und die Zersetzungsreaktion des Elektrolyten. bergartige Form eindeutig durch Bereich bestimmt wird Tonset, Tpeak, Tend und Q .Q die Höhe des Hügels förmigen Bereich zu bestimmen und & Delta; h die vertikale Position des Berges bestimmen. in Übereinstimmung mit der Legende, die alle chemische kinetische Energie kann in Fig freigegeben. 10 in der Zeichnung dargestellt, alle unterschiedlichen Reaktionskinetik verglichen werden können.
Es wird betont, Prämisse: Fig Diese Energieabgabe ist zu 100% für die Batterie, die Zersetzung der SOC Anoden- und Kathodenmaterialien wird in Kombinationsreaktion mit dem Elektrolyten entnommen.
Abbildung 10. Energiefreisetzungsdiagramm einer Lithium-Ionen-Batterie.
5 Verbessern Sie den Batteriewiderstand gegen thermisches Durchgehen
Thermal Runaway während der Anodenreaktion, die die Kathodenreaktion stattfindet, der auftritt, wie der Separator von einer zurückgezogenen zu schmelzen, was zu massiven inneren Kurzschluss. Details siehe (Fortsetzung, aus fort).
Eine Diskussion darüber, wie thermisches Durchgehen verhindert werden kann, ist katastrophal.Von den Aspekten der Verbesserung der Sicherheit der drei Hauptkomponenten Elektrodenmaterialien, Elektrolyten und Separatoren werden verschiedene Elektrodenmodifikationsverfahren, Elektrolytadditive und neue Elektrolytsysteme und sicherere Separatoren beschrieben. Art (Fortsetzung)
6 Reduzieren Sie das Risiko eines thermischen Durchbrennens
Hier ist vor allem aus der Perspektive der Kontrolle der Verbreitung von thermischen Runaway.Der vorherige Artikel "Robustheit der Power Battery Pack Structure Design, absolut gibt es Wege, die Sie (vollständig) nicht beachtet haben", die Sicherheit bei der strukturellen Gestaltung beteiligt, ein großer Teil Es ist auch aus der Perspektive der Verhinderung der Ausbreitung von thermischen Instabilität.Der Artikel "Thermische Runaway-Mechanismus von Lithium-Ionen-Batterie für Elektrofahrzeuge: Eine Überprüfung" auf Energiespeichermaterialien wirft speziell Fragen über die Fluchtzeit. Evakuierungszeit das Auto weniger als 30 Sekunden, die Zeitdauer, für die Evakuierung Bus 12 Meter 5 Minuten ist, so stellen Sie sicher reservieren zu entkommen, gibt es keine Garantie Unfall während gewissen Grad wurden die Menschen gefangen. Daher schwere TR 5 Es ist nicht erlaubt innerhalb von Minuten zu verbreiten. "Diese Nummer kann als eine quantitative Referenz für unsere Systemdesignsicherheit dienen.
7 Zusammenfassung
Dokumente auf Elektrofahrzeugen eine umfassende Überprüfung mit einem heißen kommerziellen Lithium-Ionen-Akku aus Steuermechanismus durchgeführt, führte das aktuelle, thermal runaway Phänomen, erforscht die Ursachen und Bewältigungsstrategien. Missbrauch, einschließlich mechanischen Missbrauch, elektrischen Missbrauchs und thermischen Missbrauch. Ein interner Kurzschlusses Die häufigsten Merkmale aller Missbrauchsbedingungen Das thermische Durchgehen folgt dem Kettenreaktionsmechanismus, bei dem die Zersetzungsreaktionen der Materialien der Batteriekomponenten nacheinander auftreten, und eine Reaktionsenergiekinetik aller Materialien der Batteriekomponenten wird vorgeschlagen. neue Energiefreisetzung Diagramm, um den Mechanismus der Kettenreaktion während des thermischen Runaway zu erklären. zwei Fällen weiter die Beziehung zwischen den internen Kurzschluss und thermal runaway klären. Schließlich sind die drei Schutzkonzepte, die Gefahr einer thermischen Runaway zu reduzieren.
