1. Mechanismus des thermischen Durchgehensprozesses in Lithium-Ionen-Batterien
Lithiumbatterien entstehen durch die Einbettung von Lithiumionen in Kohlenstoff (Petrolkoks und Graphit), um eine negative Elektrode zu bilden. Als positives Elektrodenmaterial wird üblicherweise LixCoO2 verwendet, während auch LixNiO2 und LixMnO4 verwendet werden. Als Elektrolyt wird LiPF6+Diethylencarbonat (EC)+Dimethylcarbonat (DMC) verwendet. Zu den wichtigsten auslösenden Faktoren für ein thermisches Durchgehen zählen mechanische Schäden, Überladung, interne Kurzschlüsse usw. Unter dem Einfluss verschiedener Faktoren kommt es zu heftigen exothermen Reaktionen der aktiven Materialien in Lithium-Ionen-Batterien, und die Innentemperatur der Batterie überschreitet den kontrollierbaren Bereich , was letztendlich zum thermischen Durchgehen führt. Zu den exothermen chemischen Reaktionen, die innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie auftreten, gehören die Zersetzung der SEI der Festelektrolyt-Schnittstellen-Gesichtsmaske, die Reaktion zwischen dem negativen Aktivmaterial und dem Elektrolyten, die Reaktion zwischen dem negativen Aktivmaterial und dem Bindemittel sowie die oxidative Zersetzungsreaktion des Elektrolyten.
Während des Lade- und Entladevorgangs von Lithium-Ionen-Batterien reagiert das Vinylcarbonat an der Festphasengrenzfläche des Elektrodenaktivmaterials mit dem Lithium der negativen Elektrode und bildet eine SEI-Filmschicht auf der Graphithaftfläche. Diese Membran kann die Reaktion zwischen dem Elektrolyten und den aktiven Materialien auf beiden Seiten der Elektrode direkt verlangsamen oder sogar verhindern, wodurch deren exotherme Rate deutlich reduziert und die Stabilität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien verbessert wird.
Wenn die Temperatur auf 90-120 Grad ansteigt, beginnt sich der SEI-Film zu zersetzen, gefolgt von einer exothermen Reaktion zwischen dem Elektrolyten und dem aktiven Material der negativen Elektrode. Am Beispiel von Vinylcarbonat ist der Reaktionsablauf in den Gleichungen (1) und (2) dargestellt:
Während der exothermen Reaktion steigt die Innentemperatur der Batterie allmählich an. Aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Membranmaterialien variieren auch deren Schmelzpunkte. Die übliche Polypropylenmembran hat einen Schmelzpunkt von 165 Grad und das Polyethylenmaterial hat einen Schmelzpunkt von 135 Grad. Nach Erreichen der Schmelztemperatur des Separatormaterials erfährt der interne Separator eine lokale Kontraktion, wodurch ein direkter Kontakt zwischen den positiven und negativen Elektrodenmaterialien innerhalb der Batterie entsteht, was zu einem Kurzschluss und der Erzeugung großer Wärmemengen führt. Die große Wärmemenge, die durch den Kurzschluss entsteht, führt dazu, dass sich die Membran schnell zusammenzieht, was die exotherme Reaktion noch verstärkt.
Gleichzeitig gehen Lithiumsalze in dem Temperaturbereich, in dem sich der SEI-Film zersetzt und exotherme Reaktionen eingeht, auch intensive exotherme Reaktionen mit dem Elektrolyten ein. Zu den gängigen Arten aktiver Materialien für Lithium-Ionen-Batterien gehören Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) usw. Lithiumhexafluorphosphat zersetzt sich bei hohen Temperaturen zu PF5, das weiter mit dem Lösungsmittel reagiert und die Sauerstoffatome des CO aufnimmt verbinden sich und gehen eine heftige exotherme Reaktion ein, die die Zersetzung des Elektrolyten weiter beschleunigt. Gleichzeitig wird bei der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Lithiumhexafluorphosphat und Lösungsmittel auch das hochgiftige Gas Flusssäure (HF) freigesetzt. Der konkrete Reaktionsverlauf ist in den Gleichungen (3) bis (5) dargestellt:
Im gleichen Temperaturbereich unterliegt der Elektrolyt selbst einer Zersetzungsreaktion und setzt eine geringe Menge brennbares Gas frei. Bei der Analyse des thermischen Durchgehensprozesses mithilfe der Geschwindigkeitskalorimetrie wurde festgestellt, dass die durch die Elektrolytzersetzung entstehenden Gase hauptsächlich aus C2H4, CO und H2 bestehen. Der Elektrolyt verdampft schnell und erhöht den Innendruck der Batterie. Wenn der Innendruck die Grenze des Überdruckventils erreicht, wird eine große Menge brennbaren Gases ausgestoßen, was die Ausbreitung des thermischen Durchgehens weiter verschärft. Die durch die vollständige Verbrennung des Elektrolyten erzeugte Wärme ist viel größer als die durch die Zersetzungsreaktion freigesetzte Wärme. Am Beispiel von Ethylencarbonat (EC) und Propylencarbonat (PC) sind die Reaktionsprozesse der Elektrolytoxidation (6)~(7) und der unvollständigen Oxidation (8)~(9) wie folgt:
Wenn die Innentemperatur der Batterie allmählich ansteigt, beginnt sich das aktive Material der positiven Elektrode zu zersetzen. Aufgrund der Verwendung unterschiedlicher Aktivmaterialien variiert auch die Temperatur, bei der exotherme Reaktionen ablaufen. Bei der Zersetzung des Aktivmaterials der positiven Elektrode entsteht Sauerstoff, der dann an der Reaktion mit dem internen Aktivmaterial teilnimmt und so eine große Menge Gas im Inneren der Batterie erzeugt. Der Reaktionsprozess ist wie folgt:
Wenn die Temperatur 136 Grad übersteigt, reagiert das Bindemittel Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit Lithium unter Bildung von Wasserstoffgas. Der Reaktionsprozess ist wie folgt:
Mit Ausnahme des Schmelzens und der Wärmeabsorption des SEI-Films sind alle oben genannten chemischen Reaktionen exotherme Reaktionen. Die Wärmefreisetzung der Elektrolytzersetzung, des Separators, des Batterieaktivmaterials und des Klebstoffs macht 43,5 %, 30,3 %, 20,1 % bzw. 6,2 % der gesamten Wärmefreisetzung aus. Die Reaktion zwischen den positiven und negativen aktiven Materialien der Batterie und dem Elektrolyten ist die größte Wärmequelle.
2. Auslösende Faktoren für das thermische Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien
Die auslösenden Faktoren für das thermische Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien können in drei Kategorien eingeteilt werden: mechanischer Missbrauch (Nadeleinstich, Kompressionsverformung, äußere Kollision), elektrischer Missbrauch (Überladung und Tiefentladung, Kurzschluss) und thermischer Missbrauch (Wärmemanagementsystem). Versagen). Mechanischer Missbrauch kann leicht zu internen Kurzschlüssen in Lithiumbatterien führen, die zu einem thermischen Durchgehen führen. Bei Missbrauch von Elektrizität können Überladung und Entladung von Batterien interne Nebenreaktionen hervorrufen, die zu einer lokalen Überhitzung der Batteriezellen und einem thermischen Durchgehen führen; Ein externer Kurzschluss ist ein gefährlicher Zustand der schnellen Entladung von Batterien, bei dem extrem hohe Ströme zu einer schnellen Erwärmung führen und sogar die Batteriepole durchbrennen lassen. Im Zustand des thermischen Missbrauchs löst der Ausfall des Wärmemanagementsystems häufig die Kontraktion und Zersetzung der inneren Membran aus, was letztendlich zu internen Kurzschlüssen und thermischem Durchgehen führt.
Darüber hinaus ist auch der Zustand der Batterie einer der wichtigen Faktoren für das thermische Durchgehen. Mit der Zunahme der Lade- und Entladezyklen der Batterie und der Induktion von Verunreinigungen, die bei der Dendritenproduktion eingemischt werden, entstehen nachteilige Nebenreaktionen wie Metalldendriten, die den Separator leicht durchdringen und lokale Kurzschlüsse in der Batterie verursachen können.
2.1 Forschung zum thermischen Durchgehen von Batterien durch thermischen Missbrauch
Gemäß dem in der Literatur etablierten Modell der elektrochemischen thermischen Kopplung bei Überladung und Wärmeaustritt von Lithium-Ionen-Batterien beginnen Lithium-Ionen-Batterien normalerweise, sich selbst zu erhitzen, wenn die Temperatur 80 Grad erreicht. Wenn die Batteriewärme überläuft und nicht effektiv abgeführt werden kann, führt das Wärmemanagement der Batterie zu einem unkontrollierbaren Anstieg der Batterietemperatur, die sich von lokalen Einzelzellen auf den Leistungsbatteriesatz ausbreitet und eine Reihe von Nebenreaktionen und ein thermisches Durchgehen verursacht.
Im Inneren der Batterie kommt es nicht spontan zu thermischem Missbrauch. Aufgrund von mechanischem Missbrauch oder aus anderen Gründen steigt die Innentemperatur der Batterie häufig auf einen Schwellenwert und lokale Bereiche der Batterie werden erhitzt, was zu thermischem Missbrauch führt und eine weitere Temperaturkontrolle und Selbstentzündung der Batterie auslöst.
Gleichzeitig wurde das thermische Durchgehen auch als Forschungsmethode zum Testen experimenteller Batterie-Durchgehen-Prozesse und zur Erkennung von Sicherheitsmerkmalen während des thermischen Durchgehens von Batterien eingesetzt. Im Jahr 1999 stellten KITOH et al. führte Untersuchungen zur Überwachung der thermischen Instabilitätssicherheitseigenschaften von Hochleistungsbatterien durch, die auf externen Heizmethoden basieren. Seitdem wird die adiabatische Energiemethode häufig verwendet, um die Temperaturschwelle für das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien zu testen. Die aktuelle Forschung zum thermischen Missbrauch basiert hauptsächlich auf der externen Strahlungszündung von Batterien. Liu Mengmeng entwickelte ein multiendogenes transientes Wärmeerzeugungsmodell und ein elektrochemisches thermisches Kopplungsmodell. Basierend auf der Strahlungserwärmungsmethode wurden die Sicherheitseigenschaften von Batterien nach Selbstentzündung durch thermischen Missbrauch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Batterieverbrennung in drei Phasen unterteilt werden kann, nämlich Einspritzverbrennung, stabile Verbrennung und sekundäre Einspritzverbrennung. LI et al. untersuchten die Auswirkung des Entladestroms auf die Temperatur vor dem Hintergrund eines durch thermischen Missbrauch verursachten thermischen Durchgehens. Es wurde festgestellt, dass bei konstantem Entladestrom der Qualitätsverlust, die Sicherheitsparameter, die Einleitungstemperatur des thermischen Durchgehens und die Spitzentemperatur während des thermischen Durchgehens von der Batteriekapazität abhängen.
2.2 Forschung zum thermischen Durchgehen von Batterien durch elektrischen Missbrauch
Häufige Ursachen für ein thermisches Durchgehen der Batterie sind Überladung und Entladung, interne Kurzschlüsse, externe Kurzschlüsse usw.
(1) Überladung und Tiefentladung
Während des Abschlusses eines Lade-Entlade-Zyklus in einer Lithium-Ionen-Batterie blockiert das BMS-Batteriemanagementsystem normalerweise den Ladestrom basierend auf dem Ladezustand. Wenn das BMS-System ausfällt, kann eine Überladung der Batterie leicht zu schweren Selbstentzündungsunfällen führen. Nach Erreichen des SOC-Schwellenwerts während des Ladevorgangs haftet Lithiummetall an der Oberfläche des Aktivmaterials der negativen Elektrode, und das anhaftende Lithium reagiert bei einer bestimmten Temperatur mit dem Elektrolyten und setzt eine große Menge Hochtemperaturgas frei. Gleichzeitig beginnt das Aktivmaterial der positiven Elektrode aufgrund der übermäßigen Lithiumentfernung und einer großen Potentialdifferenz zur negativen Elektrode zu schmelzen. Sobald das Potenzial der positiven Elektrode die sichere Spannung des Elektrolyten überschreitet, geht der Elektrolyt auch eine Oxidationsreaktion mit dem aktiven Material der positiven Elektrode ein. Während des Überladevorgangs können eine Reihe von Nebenreaktionen wie Ohmsche Erwärmung und Gasüberlauf auftreten, die das Auftreten eines thermischen Durchgehens verschlimmern.
Das beim Überladen von Lithium-Ionen-Batterien freigesetzte Gas besteht hauptsächlich aus CO2, CO, H2, CH4, C2H6 und C2H4, und das Gasvolumen und die Wärme nehmen mit zunehmendem Ladestrom zu. Durch die Verwendung eines beschleunigten Kalorimeters und eines Batteriezyklusanalysators zur gemeinsamen Analyse zeigt das Experiment, dass die Gefahr einer Überladung basierend auf konstantem Strom und konstanter Spannung viel größer ist als die Gefahr einer direkten Überladung mit konstantem Strom. Basierend auf der Überladeleistung der positiven Verbundelektrode und der negativen Graphitelektrode in verschiedenen experimentellen Umgebungen haben Ren et al. Die Auswirkungen von Ladestrom, Separatormaterial und Wärmeableitungssystem wurden umfassend berücksichtigt. Die Studie ergab, dass die beim Überladen von NCM-Batterien freigesetzte Wärmemenge nicht eng mit der Größe des Ladestroms zusammenhängt. Der Schmelzpunkt verschiedener Separatormaterialien sowie die Verformung und Quellung der Batterie sind die Hauptfaktoren für das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien. Wang et al. analysierten den thermischen Ausbreitungspfad und den Hochtemperatur-Gasüberlaufpfad überladener Lithiumbatterien und stellten fest, dass die durch die Reaktion zwischen Lithiumablagerung und Elektrolyt während der Batterieüberladung erzeugte Wärme mehr als 43 % ausmachte. Zhang et al. untersuchten den Verschlechterungsmechanismus der Batteriepackkapazität basierend auf der inkrementellen Kapazitätsdifferenzspannung und stellten fest, dass eine einzelne Überladung nur geringe Auswirkungen auf die Batteriekapazität hatte, aber nach einer Überladung bis zur Delithiierung des aktiven Materials der positiven Elektrode würde dies die thermische Stabilität des Batteriepacks ernsthaft beeinträchtigen.
Der durch Überentladung verursachte Schaden ist viel geringer. Eine frühzeitige Überentladung kann kaum zu einem thermischen Durchgehen der Batterie führen, kann jedoch die Batteriekapazität beeinträchtigen. Zhou Ping et al. untersuchten die Entladeeigenschaften von ternären Nickel-Kobalt-Mangan-NCM-Lithiumbatterien nach Tiefentladung. Während des statischen Entladevorgangs nimmt der Grad des Kurzschlusses innerhalb der NCM-Lithiumbatterie ab, der Widerstand steigt und der Entladestrom sinkt. Experimente haben gezeigt, dass je größer die Entladetiefe, desto stärker die Dämpfung einzelner Zellen im Akkupack. Ma et al. Im Tiefentladungsexperiment von Lithiumbatterien wurde festgestellt, dass eine Tiefentladung die Struktur der aktiven Materialien der Batterie nicht verändert, jedoch zur Auflösung des Stromkollektors der negativen Elektrode führen, die Dicke des SEI-Films erhöhen und die Alterung der Batterie beschleunigen kann. Die Verhaltensmerkmale des Lithium-Ionen-Akkus bei Überentladung sind in der Abbildung dargestellt.
(2) Externer Kurzschluss
Auch externe Kurzschlüsse sind eine wichtige Ursache für thermisches Durchgehen bei Leistungsbatterien. Chen et al. entwickelte ein neues elektrisches thermisches Kopplungsmodell, das auf der Kombination von Wärmeerzeugungs-, -verteilungs- und -ausbreitungsmodellen basiert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Spitzentemperatur von Lithium-Ionen-Batterien unter externen Kurzschlussbedingungen am Rand des Elektrodenohrs auftritt. Ma Taixiao et al. fanden heraus, dass im externen Kurzschlusszustand von Leistungsbatterien die durch Nebenreaktionen erzeugte Wärme viel geringer ist als die durch Elektrochemie erzeugte Wärme und die durch Elektrochemie erzeugte Wärme positiv mit dem anfänglichen SOC, jedoch negativ mit der Temperaturspitze korreliert thermischer Stress.
(3) Interner Kurzschluss
Interner Kurzschluss, der innerhalb der Batterie auftritt und vom BMS-System schwer zu erkennen ist, ist die Hauptursache für thermisches Durchgehen bei Lithium-Ionen-Batterien. Wenn die Batterie überladen oder tiefentladen wird, wachsen Lithiumdendriten nach und nach und durchdringen den SEI-Film, was zu internen Kurzschlüssen führt und schnell zu einem unkontrollierbaren Temperaturanstieg und einem thermischen Durchgehen führt. Darüber hinaus können Gitterschäden oder Stromkollektorgrate, die durch raue Herstellungsprozesse von Batterien verursacht werden, ebenfalls zu internen Kurzschlüssen führen.
2.3 Forschung zum thermischen Durchgehen von Batterien durch mechanischen Missbrauch
Bei der Anwendung von Autobatterien kommt es unweigerlich zu mechanischen Ausfällen durch Unfälle. Wenn sich der Akku durch äußere Kräfte wie Einstich und Kompression verformt, kann es zu inneren Strukturveränderungen und sogar zu einem thermischen Durchgehen aufgrund des direkten Kontakts zwischen Plus- und Minuspol bei extremer Belastung kommen. Daher ist es notwendig, Untersuchungen zum thermischen Durchgehen von Batterien durchzuführen, die durch mechanischen Missbrauch verursacht werden. Fan Wenjie und
Wang et al. führte eine Studie zu den Querschnittsänderungen des Batteriepakets nach einer Kollision anhand von Softpack-Lithium-Ionen-Batterien durch. Das Durchstichexperiment ergab, dass während des Durchstichvorgangs eine große Anzahl lokaler Verformungen und Scherbruchschichten im Inneren des Batteriepacks auftraten und der Stromkollektor und das Aktivmaterial der positiven Elektrode rissen sowie die innere Struktur der Batterie neu angeordnet wurden Die durch das Durchstechen des Separators verursachten Schäden am Akkupack waren die Hauptgründe für das thermische Durchgehen des Kurzschlusses im Inneren der Batterie. Lamb et al. untersuchten den Verformungszustand von 18650 zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien unter Einstichbedingungen auf Basis der Computertomographie-Technologie. Das Experiment ergab, dass das Infiltrationsphänomen zwischen der positiven und der negativen Elektrode das Auftreten interner Kurzschlüsse verschlimmert. Beim Kurzschluss schmilzt die befestigte Aluminiumfolie und es bilden sich an der Einstichstelle zahlreiche Metallperlen. Li et al. etablierte Finite-Elemente-Analysemodelle für verschiedene Zustände mechanischer Beanspruchung auf der Grundlage von Durchschlag, Kompression usw. und entwickelte einen Lernalgorithmus zur Vorhersage des thermischen Durchgehensprozesses von Batterien unter Verwendung von Parametern von Altbatterien. Die Auswirkungen von mechanischem Missbrauch auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien wurden anhand von acht Arten von Parametern analysiert, darunter Aufprallkraft, Kollisionswinkel und Verformungsbereich, wodurch der Rechenaufwand erheblich reduziert wurde.
Der mechanische Missbrauch, der in praktischen Anwendungen auftritt, ist komplexer als einzelne Experimente wie Punktion und Kompression. Wenn man sich ausschließlich auf experimentelle Simulationen verlässt, kann man die Sicherheitsmerkmale des mechanischen Missbrauchs von Batterien nicht eingehend untersuchen. Die grundlegende Lösung besteht darin, die Batterieeinbauposition zu optimieren, ein zuverlässiges BMS-System einzurichten und das Design des Fahrzeugrahmens bei der Gestaltung des Leistungsbatteriepakets zu optimieren, um Verformung und Kompression des Leistungsbatteriepakets im Falle einer Kollision zu minimieren .
3. Vorbeugende Maßnahmen und Methoden zum thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien
Mit dem Ziel, das thermische Durchgehen von Leistungsbatterien zu blockieren, zu verzögern und zu verhindern, haben viele Wissenschaftler Untersuchungen zum Wärmemanagement von Batteriepaketen, zum Design hochfester Batteriepaketstrukturen und zu anderen Aspekten durchgeführt.
3.1 Sicherheitsdesign einzelner Batterien
(1) Forschung zur Sicherheit des Membrandesigns
Der Kern der Verbesserung der Sicherheit der Membran liegt in der Erhöhung der Temperatur, bei der sich die Membran zusammenzieht und schmilzt, wodurch ihre Isolierfähigkeit bei hohen Temperaturen verbessert wird. Die Hochtemperatur-Isolierfähigkeit des Diaphragmas stellt sicher, dass seine Mikroporen in einer Hochtemperaturumgebung versiegelt sind und den Fluss von Lithiumionen blockieren. Die weit verbreiteten Membranmaterialien sind im Allgemeinen mit Keramikbeschichtungen oder anderen Materialien mit geschlossenzelliger Wirkung bedeckt.
(2) Forschung zur Sicherheit positiver Elektrodenmaterialien
Die am häufigsten auf dem Markt für Leistungsbatterien verwendeten Lithium-Ionen-Positivelektroden-Aktivmaterialien sind im Allgemeinen LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM) usw. Durch die Verwendung von Materialien zur Abdeckung der Positivelektrode werden thermische Durchgehensnebenreaktionen blockiert und gemildert und die Batteriezyklen verbessert und thermische Stabilität, wie ZrO2 und AlF3. Zhang et al. entwickelten ein geschichtetes ternäres NCM-Material, das auf einer Gradientenverteilung der Atomkonzentration basiert, mit Ni als Kern und Mn, das die äußere Schicht der anhaftenden Partikel bedeckt. Tests haben gezeigt, dass es auch unter mehreren Hochtemperatur- und Überladungsbedingungen eine gute Zyklen- und Wärmestabilität aufrechterhält.
(3) Forschung zur Sicherheit negativer Elektrodenmaterialien
Die Verbesserung der Sicherheit der negativen Elektrode wird hauptsächlich durch Materialbeschichtung oder Zugabe von Additiven zum Elektrolyten erreicht, um die thermische Stabilität des SEI-Films zu verbessern. Xu et al. Dem Elektrolyten wurde eine flüssige Legierung GaSnIn hinzugefügt, um die thermische Stabilität der Batterie zu verbessern. Das Experiment zeigt, dass die vorbereitete Gradienten-SEI-Schicht die Spannungspolarisierung stark reduziert und den Coulomb-Wirkungsgrad auf 99,06 % verbessert. Zheng et al. stellten eine ultradünne Aramid-Nanofasermembran (ANF) her, um das Wachstum von Lithiumdendriten zu unterdrücken. Im experimentellen Test wurde in einer Umgebung mit hoher Stromdichte von 50 mA/cm2 die Kapazität des ANF-Li|Der volle LiFePO4-Akku sank nach 1200 Zyklen auf 80,2 %. Und zum ersten Mal entdeckte die Forschung die faserige Lithiumabscheidung, und die mit nanoskaligen Poren hergestellte ANF-Membran förderte die Elektrolytdiffusion, beschleunigte die Effizienz des Lithiumtransports und beseitigte die Nachteile mikrometergroßer Lithiumdendriten, die die Membran durchdringen.
(4) Forschung zur Sicherheit von Elektrolyten
Bei den meisten Unfällen durch thermisches Durchgehen geht es um Elektrolyte, und die Verbesserung der Sicherheit des Elektrolyten ist von entscheidender Bedeutung, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern. Als Überladungsschutzadditive werden dem Elektrolyten häufig Flammschutzmittel, feste Polymersubstanzen oder ionische Flüssigkeiten zugesetzt. Fluoriertes Ethylencarbonat (FEC) ist der häufigste Elektrolytzusatz, der den Vorteil hat, die Coulomb-Effizienz der reversiblen Lithiumentfernung in der negativen Elektrode durch Änderung der SEI-Filmzusammensetzung zu verbessern. Li et al. entwarf einen doppelschichtigen SEI-Interphasenfilm aus kristallinem und polymerem Festelektrolyten unter Verwendung von Lithiumdifluorborat (LiDFOB) als Hauptsalz in einem gemischten Phosphatelektrolyten. Das Flammschutzexperiment zeigte, dass die Selbstlöschzeit des flammhemmenden Elektrolyten 6,1 Sekunden betrug und der reversible Wirkungsgrad von Li 98,2 % betrug. Nach 150 Lade-/Entladezyklen waren immer noch 89,7 % der Akkukapazität vorhanden.
3.2 Sicherheitsschutz und Optimierungsdesign des Leistungsbatteriesystems
(1) Optimierungsdesign der Batteriepackstruktur
Das Design der Batteriepackstruktur und die Optimierung der Fahrzeugeinbauposition sind für die Verbesserung der Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Chen et al. führte ein Klassifizierungsexperiment zum Einfluss der Thermal Runaway-Reichweite basierend auf dem 18650-Batterielayout durch. Der Versuch zeigt, dass in Gebieten mit größeren Heizflächen die Zündzeit kürzer ist und die Ausbreitungsgeschwindigkeit und -reichweite größer ist. Das Experiment berücksichtigte jedoch nur die Gesamterwärmung des Leistungsbatteriemoduls und berücksichtigte nicht die lokale Überhitzung, die durch interne Kurzschlüsse verursacht wird. Liu Zhenjun et al. optimierte das Design des Batteriepakets auf der Grundlage eines dreidimensionalen Wärmeableitungsmodells des Leistungsbatteriepakets und führte eine Wärmeableitungssimulation durch. Das Experiment zeigte, dass die Spitzentemperatur der optimierten Lithium-Ionen-Batterie von 46 Grad auf 34 Grad sank und der Temperaturunterschied zwischen einzelnen Zellen innerhalb von 5 Grad gehalten wurde.
(2) Design des Batterie-Wärmemanagementsystems
Lithium-Ionen-Batterien weisen eine hohe thermische Empfindlichkeit auf, und die Verbesserung der Entladungseffizienz bei niedrigen Temperaturen und der Sicherheit bei hohen Temperaturen ist der Kern von Batterie-Wärmemanagementsystemen. Zu den Kühlmethoden für Batteriepacks gehören Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung. Die Elektrofahrzeuge von Tesla verwenden alle Flüssigkeitskühlungstechnologie, während Elektrobusse im Allgemeinen Luftkühlung verwenden. In den letzten Jahren wurden Aerogele, Phasenwechselmaterialien und Hybridmaterialien aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeabsorptionseffizienz in Batterie-Wärmemanagementsystemen eingesetzt. Wu et al. haben ein flexibles Material für das Batterie-Wärmemanagementsystem auf Basis von Hydrogel entwickelt. Es wird kostengünstiges Natriumpolyacrylat-Material verwendet. Aufgrund seiner extrem starken Plastizität kann es in verschiedene Formen gebracht und im Akkupack gestapelt werden, wodurch der Wärmeableitungseffekt herkömmlicher Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung wirtschaftlich realisiert werden kann.
(3) Entwurf von Kühlung, Löschung, Blockierung und Gasführung für thermisches Durchgehen der Batterie
Wenn ein thermisches Durchgehen der Batterie unvermeidbar ist, ist es besonders wichtig, die Wärmeausbreitung sofort zu blockieren und abzukühlen und Gase mit hoher Temperatur abzuleiten, um eine Beeinträchtigung der in unmittelbarer Nähe installierten Batterien zu vermeiden.
Zu den wichtigsten Möglichkeiten, die Ausbreitung des thermischen Durchgehens zu verhindern, gehören das Befüllen mit flammhemmenden Medien, die Verwendung von Isoliermaterialien zur Isolierung von thermisch außer Kontrolle geratenen Batterien oder das Ableiten von Flammen und Hochtemperaturgasen aus dem Batteriepaket durch Leitungen. Xu et al. hat ein Hochtemperatur-Gaswärmeableitungsrohr mit rechteckiger Querschnittsform entwickelt, das entlang der Batterie angeordnet ist, wie in Abbildung 5 dargestellt. Obwohl es das Auftreten eines thermischen Durchgehens in einzelnen Batterien nicht verhindern kann, kann es die Ausbreitung eines lokalen thermischen Durchgehens in den einzelnen Batterien wirksam verhindern Akkupacks. Li Haoliang et al. entwarf ein System zur Blockierung der thermischen Ausbreitung und ein integriertes Steuersystem auf Basis von Inertgasen und gemischten Kältemitteln. Basierend auf dem Wärmeverteilungsdiagramm und der Aufheizbeschleunigung wird ein Schwellenwert für das Blockiersystem festgelegt. Das Experiment zeigt, dass es die Wärmeausbreitung effektiv blockieren kann, wenn der Akku lokal überhitzt ist.
4. Fazit
Der Artikel fasst die Literatur zum Auslösemechanismus, zu den Ursachen und zum Sicherheitsüberwachungsmanagement des thermischen Durchgehens in Lithium-Ionen-Batterien zusammen.
(1) Bei der Erforschung des Mechanismus des thermischen Durchgehens wurden die thermische Stabilität und das Wärmefreisetzungsgesetz der Hauptkomponenten von Lithium-Ionen-Batterien sowie die Prinzipien von Reaktionswärmefreisetzungsprozessen wie Elektrolytzersetzung, Separator, aktive Batteriematerialien usw. analysiert Klebstoffe wurden hauptsächlich erläutert.
(2) Bei der Untersuchung der auslösenden Faktoren des thermischen Durchgehens wurden die Merkmale und Gründe verschiedener Auslösebedingungen klassifiziert und zusammengefasst, nämlich mechanischer Missbrauch, elektrischer Missbrauch und thermisches Durchgehen der Batterie, das durch thermischen Missbrauch verursacht wird.
(3) Im Hinblick auf die Verhinderung und Überwachung des thermischen Durchgehens wird in diesem Artikel die Forschung zur Verbesserung der Sicherheit des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien unter drei Aspekten erläutert: Optimierung des Designs von Lithium-Ionen-Batteriezellen, Optimierung von Leistungsbatteriesystemen und Batterie-Wärmemanagement und Überwachungswarnsysteme.
Obwohl bei der Untersuchung des thermischen Durchgehens in Lithium-Ionen-Batterien erhebliche Fortschritte erzielt wurden, gibt es in einigen Forschungsbereichen immer noch Lücken. Die Erforschung der Auswirkungen der Alterung auf die Sicherheit, die durch die Überlagerung von Zykluszeiten bei Lithium-Ionen-Batterien verursacht wird, hat erst in den letzten Jahren begonnen, insbesondere die experimentelle Untersuchung des Alterungspfads und -mechanismus auf die thermische Stabilität ist noch relativ selten. Gleichzeitig gibt es nur wenige experimentelle Studien zur Vorhersage und Modellierung der Flammenausbreitung nach dem Auftreten eines thermischen Durchgehens, und es mangelt immer noch an numerischen Simulationsanalysen der Flammenausbreitung. Es ist ersichtlich, dass sich das Sicherheitsmanagement des thermischen Durchgehens in Lithium-Ionen-Leistungsbatterien noch im Entwicklungsstadium befindet, insbesondere in Richtung Warnung und Blockierung, was weiterer Forschung bedarf.