Լիթիումի մարտկոցի անվտանգություն

Լիթիումի մարտկոցներն ունեն դյուրատարության և արագ լիցքավորման առավելություններ, ուստի ինչու են կապարաթթվային մարտկոցները և այլ երկրորդական մարտկոցները դեռևս շրջանառվում շուկայում:
Բացի ծախսերի և տարբեր կիրառական ոլորտների խնդիրներից, մեկ այլ պատճառ էլ անվտանգությունն է:
Լիթիումը աշխարհի ամենաակտիվ մետաղն է։Քանի որ նրա քիմիական բնութագրերը չափազանց ակտիվ են, երբ լիթիումի մետաղը ենթարկվում է օդի, այն կունենա կատաղի օքսիդացման ռեակցիա թթվածնի հետ, ուստի հակված է պայթյունի, այրման և այլ երևույթների:Բացի այդ, լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ լիթիումի մարտկոցի ներսում տեղի կունենա նաև ռեդոքս ռեակցիա:Պայթյունը և ինքնաբուխ այրումը հիմնականում առաջանում են տաքացումից հետո լիթիումի մարտկոցի կուտակման, դիֆուզիայի և ազատման հետևանքով:Մի խոսքով, լիթիումային մարտկոցները լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացում մեծ ջերմություն կառաջացնեն, ինչը կհանգեցնի մարտկոցի ներքին ջերմաստիճանի բարձրացմանը և առանձին մարտկոցների միջև անհավասար ջերմաստիճանի, այդպիսով առաջացնելով մարտկոցի անկայուն աշխատանքը:
Լիթիում-իոնային մարտկոցի ոչ անվտանգ վարքագիծը (ներառյալ մարտկոցի գերլիցքավորումը և լիցքաթափումը, արագ լիցքավորումը և լիցքաթափումը, կարճ միացումը, մեխանիկական չարաշահման պայմանները, բարձր ջերմաստիճանի ջերմային ցնցումները և այլն) կարող են առաջացնել վտանգավոր կողմնակի ռեակցիաներ մարտկոցի ներսում և առաջացնել ջերմություն, ուղղակիորեն վնասելով պասիվ ֆիլմը բացասական էլեկտրոդի և դրական էլեկտրոդի մակերեսի վրա:
Լիթիումի իոնային մարտկոցների ջերմային վթարների առաջացման բազմաթիվ պատճառներ կան:Ըստ հրահրման բնութագրերի՝ այն կարելի է բաժանել մեխանիկական չարաշահման հրահրման, էլեկտրական չարաշահման հրահրման և ջերմային չարաշահման հրահրման:Մեխանիկական չարաշահում. վերաբերում է ասեղնաբուժությանը, արտամղմանը և ծանր առարկայի ազդեցությանը, որն առաջացել է մեքենայի բախման հետևանքով.Էլեկտրաէներգիայի չարաշահում. հիմնականում պայմանավորված է լարման ոչ պատշաճ կառավարման կամ էլեկտրական բաղադրիչների խափանումներով, ներառյալ կարճ միացում, գերլիցքավորում և գերլիցքավորում;Ջերմային չարաշահում. առաջանում է ջերմաստիճանի ոչ պատշաճ կառավարման հետևանքով առաջացած գերտաքացումից:

Այս երեք հրահրման մեթոդները փոխկապակցված են:Մեխանիկական չարաշահումը, ընդհանուր առմամբ, կհանգեցնի մարտկոցի դիֆրագմայի դեֆորմացմանը կամ պատռմանը, ինչը կհանգեցնի մարտկոցի դրական և բացասական բևեռների անմիջական շփմանը և կարճ միացմանը, ինչը հանգեցնում է էլեկտրականության չարաշահման.Այնուամենայնիվ, էլեկտրաէներգիայի չարաշահման պայմաններում ջերմության արտադրությունը, ինչպիսին է Ջոուլի ջերմությունը, մեծանում է, ինչը հանգեցնում է մարտկոցի ջերմաստիճանի բարձրացմանը, որը վերածվում է ջերմության չարաշահման, հետագայում առաջացնելով շղթայական տիպի ջերմության առաջացման կողմնակի ռեակցիա մարտկոցի ներսում և վերջապես հանգեցնելով առաջացման: մարտկոցի ջերմության արտահոսք:
Մարտկոցի ջերմային արտահոսքը պայմանավորված է նրանով, որ մարտկոցի ջերմության առաջացման արագությունը շատ ավելի բարձր է, քան ջերմության արտանետման արագությունը, և ջերմությունը կուտակվում է մեծ քանակությամբ, բայց ժամանակի ընթացքում չի ցրվում:Ըստ էության, «ջերմային փախուստը» դրական էներգիայի հետադարձ կապի ցիկլի գործընթաց է. ջերմաստիճանի բարձրացումը կհանգեցնի համակարգի տաքացմանը, իսկ ջերմաստիճանը կբարձրանա համակարգի տաքանալուց հետո, որն իր հերթին կստիպի համակարգը ավելի տաքանալ:
Ջերմային փախուստի գործընթացը. երբ մարտկոցի ներքին ջերմաստիճանը բարձրանում է, SEI թաղանթը SEI թաղանթի մակերեսին քայքայվում է բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում, գրաֆիտի մեջ ներկառուցված լիթիումի իոնը կարձագանքի էլեկտրոլիտի և կապող նյութի հետ՝ հետագայում բարձրացնելով մարտկոցի ջերմաստիճանը։ մինչև 150 ℃, և այս ջերմաստիճանում տեղի կունենա նոր կատաղի էկզոտերմիկ ռեակցիա:Երբ մարտկոցի ջերմաստիճանը հասնում է 200 ℃-ից բարձր, կաթոդի նյութը քայքայվում է՝ ազատելով մեծ քանակությամբ ջերմություն և գազ, և մարտկոցը սկսում է ուռչել և շարունակաբար տաքանալ։Լիթիումով ներկառուցված անոդը սկսեց արձագանքել էլեկտրոլիտի հետ 250-350 ℃ ջերմաստիճանում:Լիցքավորված կաթոդ նյութը սկսում է ենթարկվել կատաղի քայքայման ռեակցիայի, իսկ էլեկտրոլիտը ենթարկվում է բուռն օքսիդացման ռեակցիայի՝ ազատելով մեծ քանակությամբ ջերմություն, առաջացնելով բարձր ջերմաստիճան և մեծ քանակությամբ գազ՝ առաջացնելով մարտկոցի այրումը և պայթյունը։
Լիցքավորման ժամանակ լիթիումի դենդրիտի տեղումների խնդիրը. Լիթիումի կոբալատային մարտկոցի լրիվ լիցքավորումից հետո մեծ քանակությամբ լիթիումի իոններ մնում են դրական էլեկտրոդում։Այսինքն, կաթոդը չի կարող ավելի շատ լիթիումի իոններ պահել կաթոդին կցված, բայց գերլիցքավորված վիճակում կաթոդի վրա լիթիումի իոնների ավելցուկը դեռ լողալու է դեպի կաթոդ:Քանի որ դրանք չեն կարող ամբողջությամբ պարունակվել, կաթոդի վրա կձևավորվի մետաղական լիթիում:Քանի որ այս մետաղական լիթիումը դենդրիտային բյուրեղ է, այն կոչվում է դենդրիտ:Եթե ​​դենդրիտը չափազանց երկար է, հեշտ է ծակել դիֆրագմը՝ առաջացնելով ներքին կարճ միացում։Քանի որ էլեկտրոլիտի հիմնական բաղադրիչը կարբոնատ է, դրա բռնկման և եռման կետը ցածր է, ուստի այն կվառվի կամ նույնիսկ կպայթի բարձր ջերմաստիճանում:

Եթե ​​դա պոլիմերային լիթիումային մարտկոց է, ապա էլեկտրոլիտը կոլոիդային է, որը հակված է ավելի դաժան այրման:Այս խնդիրը լուծելու համար գիտնականները փորձում են փոխարինել ավելի անվտանգ կաթոդային նյութերը։Լիթիումի մանգանատի մարտկոցի նյութն ունի որոշակի առավելություններ.Այն կարող է երաշխավորել, որ դրական էլեկտրոդի լիթիումի իոնը կարող է ամբողջությամբ ներկառուցվել բացասական էլեկտրոդի ածխածնային անցքի մեջ լրիվ լիցքավորման վիճակում՝ դրական էլեկտրոդում որոշակի մնացորդներ ունենալու փոխարեն, ինչպիսին լիթիումի կոբալատն է, ինչը որոշ չափով խուսափում է առաջացումից։ դենդրիտներ.Լիթիումի մանգանատի կայուն կառուցվածքը նրա օքսիդացման արդյունավետությունը շատ ավելի ցածր է դարձնում, քան լիթիումի կոբալատինը:Նույնիսկ եթե առկա է արտաքին կարճ միացում (այլ ոչ թե ներքին կարճ միացում), այն հիմնականում կարող է խուսափել լիթիումի մետաղի տեղումների հետևանքով առաջացած այրումից և պայթյունից:Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատն ունի ավելի բարձր ջերմային կայունություն և էլեկտրոլիտի ավելի ցածր օքսիդացման հզորություն, ուստի այն ունի բարձր անվտանգություն:
Լիթիումի իոնային մարտկոցի ծերացման թուլացումը դրսևորվում է հզորության թուլացմամբ և ներքին դիմադրության բարձրացմամբ, իսկ դրա ներքին ծերացման թուլացման մեխանիզմը ներառում է դրական և բացասական ակտիվ նյութերի կորուստ և հասանելի լիթիումի իոնների կորուստ:Երբ կաթոդի նյութը ծերանում և քայքայվում է, և կաթոդի հզորությունը անբավարար է, կաթոդից լիթիումի էվոլյուցիայի վտանգը ավելի հավանական է:Չափից դուրս լիցքաթափման դեպքում կաթոդի պոտենցիալը դեպի լիթիում կբարձրանա մինչև 3 Վ-ից բարձր, ինչը ավելի բարձր է, քան պղնձի տարրալուծման ներուժը, ինչը հանգեցնում է պղնձի կոլեկցիոների տարրալուծմանը:Լուծված պղնձի իոնները նստվածք կառաջանան կաթոդի մակերեսի վրա և կառաջացնեն պղնձի դենդրիտներ:Պղնձի դենդրիտները կանցնեն դիֆրագմով, առաջացնելով ներքին կարճ միացում, ինչը լրջորեն ազդում է մարտկոցի անվտանգության վրա:
Բացի այդ, հնացող մարտկոցների գերլիցքավորման դիմադրությունը որոշ չափով կնվազի, հիմնականում պայմանավորված ներքին դիմադրության բարձրացմամբ և դրական և բացասական ակտիվ նյութերի նվազմամբ, ինչի հետևանքով մարտկոցների գերլիցքավորման գործընթացում ջոուլային ջերմությունը կաճի:Ավելի քիչ գերլիցքավորման դեպքում կողմնակի ռեակցիաները կարող են առաջանալ՝ առաջացնելով մարտկոցների ջերմային արտահոսք:Ջերմային կայունության առումով կաթոդից լիթիումի էվոլյուցիան կհանգեցնի մարտկոցի ջերմային կայունության կտրուկ անկմանը:
Մի խոսքով, հնացած մարտկոցի անվտանգության ցուցանիշը մեծապես կնվազի, ինչը լրջորեն կվտանգի մարտկոցի անվտանգությունը։Ամենատարածված լուծումը մարտկոցի էներգիայի պահպանման համակարգը համալրելն է մարտկոցի կառավարման համակարգով (BMS):Օրինակ, Tesla Model S-ում օգտագործվող 8000 18650 մարտկոցները կարող են իրական ժամանակում իրականացնել մարտկոցի տարբեր ֆիզիկական պարամետրերի մոնիտորինգ, գնահատել մարտկոցի օգտագործման կարգավիճակը և իրականացնել առցանց ախտորոշում և վաղ զգուշացում մարտկոցի կառավարման համակարգի միջոցով:Միևնույն ժամանակ, այն կարող է նաև իրականացնել լիցքաթափման և նախնական լիցքավորման հսկողություն, մարտկոցի հավասարակշռության կառավարում և ջերմային կառավարում: