قضايا التطبيق والسلامة لبطاريات الليثيوم أيون:تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع نظرًا لكثافة الطاقة العالية، وقدرة الخرج العالية، وارتفاع متوسط جهد الخرج. ومع ذلك، تقع حوادث ناجمة عن فشل البطارية كل عام، وقليل من الناس يدركون بشكل فعال المخاطر المتعلقة بالسلامة. ولذلك، فإن تحديد وتخفيف مخاطر السلامة لبطاريات الليثيوم أمر بالغ الأهمية.
المحتوى الرئيسي للمقال:أولاً، تم تحليل ظاهرة الهروب الحراري ومناقشة أنظمة المراقبة المختلفة. بعد ذلك، تم التأكيد على تطبيق أجهزة استشعار شبكة الألياف Bragg (FBG) في الكشف عن بيانات البطارية في الوقت الفعلي. وأخيرا، يتم تلخيص أساليب الحد من قضايا السلامة في بطاريات الليثيوم، بما في ذلك استخدام الطلاء السطحي الكهربائي، والشوارد، والفواصل، وقمع نمو تشعبات الليثيوم. هذه المحتويات لها قيمة مرجعية للأبحاث المستقبلية حول سلامة بطارية الليثيوم.
1. مقدمة
تم تسليط الضوء على قضايا التطبيق والسلامة الخاصة ببطاريات الليثيوم أيون:إن تطوير الطاقة المتجددة هو اتجاه العصر، والبطاريات موجودة في كل مكان في الحياة اليومية. تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع وهي ضرورية لتطوير مجالات الطاقة الجديدة. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، أثرت مشكلة ارتفاع درجة الحرارة على تطوير السيارات الكهربائية، وأصبحت سلامة البطاريات مصدر قلق.
اتجاه البحث والغرض من المقال:يستخدم العلماء تقنيات مختلفة لتحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون. في الوقت الحالي، تعد أبحاث مراقبة السلامة المتعلقة بالتنبؤ بالانفلات الحراري للبطارية وطرق التحذير منه اتجاهًا شائعًا. تهدف المقالة إلى تلخيص الأساليب المتقدمة ذات الصلة وتقديم أحدث التقدم البحثي.
2. الأساليب الحالية لتحسين عوامل السلامة
سبب حادث السلامة:عندما يتم استخدام بطاريات الليثيوم بشكل غير صحيح (مثل الشحن الزائد، وارتفاع درجة الحرارة، والتأثير، وماس كهربائى)، ترتفع درجة الحرارة بشكل غير طبيعي، مما يسبب تفاعلات كيميائية داخلية وإنتاج الغاز والدخان. ينفتح صمام الأمان، وتؤدي الحرارة إلى زيادة درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى الاحتراق أو الانفجار.
طرق تحسين السلامة:تشمل بشكل أساسي مراقبة حوادث السلامة وتجنبها، أو تحديث هياكل البطارية، أو استبدال المكونات التي بها مشكلات.
طرق محددة لتحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون
منع الهروب الحراري
مبدأ الهروب الحراري:يؤدي التفاعل الطارد للحرارة للمواد الموجودة داخل البطارية إلى تسخين البطارية بسرعة وإطلاق الطاقة الكيميائية. هناك عوامل متعددة يمكن أن تسبب ارتفاع درجة الحرارة، مثل التشوه الهيكلي، وقصر الدائرة، والشحن الزائد، وتقادم المكونات، وفشل نظام التبريد، وما إلى ذلك. تزيد كثافة الطاقة العالية للبطاريات واستخدام الشوارد القابلة للاشتعال من خطر الهروب الحراري.
نظام التبريد:قام العلماء بتطوير أنظمة الإدارة الحرارية للبطاريات (BTMS)، بما في ذلك أنظمة تبريد الهواء والتبريد السائل، ولكن كلاهما لهما عيوب. يجمع نظام التبريد الهجين بين مزايا كليهما ويمكنه تنظيم وإدارة تبديد حرارة البطارية بشكل أفضل، ويجب تحديد الاختيار المحدد وفقًا للحالة.
| أنظمة التبريد | المزايا | العيوب |
|
تبريد الهواء BTMS |
خفيف الوزن في الهيكل تكلفة منخفضة في التطوير و صيانة. |
1. انخفاض الموصلية الحرارية والتعرض لها ذوبان حراري. 2. صعوبة استخدامه في السيارات الكهربائية. |
|
تبريد السائل BTMS |
قدرات حرارية وحرارة عالية الموصلية. |
1. عرضة لتسرب السوائل 2. صعوبة تحسين النظام بسبب بنيته المعقدة |
| نظام BTMS الهجين | فعالية تبريد أفضل | 1. المزيد من المكونات والتعقيد |
مستشعر شبكة الألياف Bragg (FBG)
مبدأ الرصد:منع مخاطر السلامة من خلال مراقبة الأعراض المتعددة للبطارية في الوقت الحقيقي. غالبًا ما تعكس الطرق الحديثة حالة البطارية بشكل غير مباشر عن طريق مراقبة تدفق الحرارة أو الكشف عن تشقق الأقطاب الكهربائية، بينما يمكن لأجهزة استشعار FBG قياس درجة الحرارة واستجابة الإجهاد بشكل مباشر أو غير مباشر داخل البطارية وخارجها، ودراسة تحلل الإلكتروليت من خلال التفاعل بين الضوء الذي تحمله الألياف الضوئية و البيئة الكيميائية المحيطة.
المزايا:تتميز مستشعرات FBG بخصائص الحد الأدنى من التدخل الجراحي والمضادة للتداخل الكهرومغناطيسي والعزل. لا يزال بإمكانهم تقديم البيانات بدقة تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع. عندما تصل المؤشرات إلى القيمة الحرجة، يمكن تعديل تشغيل البطارية أو إنهائه في الوقت المناسب، مما يحسن سلامة استخدام البطارية.
|
درجة حرارة يراقب |
مراقبة درجة الحرارة الخارجية: يتم توصيل مستشعر FBG مباشرة بسطح البطارية (والذي يمكن أن يكون على شكل لعملة معدنية أو أسطوانة) لتحقيق الكشف عن درجة الحرارة في الوقت الحقيقي. |
|
مراقبة درجة الحرارة الداخلية: يتم زرعها مباشرة في البطارية للكشف عن درجة الحرارة الداخلية. |
|
| مراقبة السلالة |
مراقبة الضغط الخارجي: يقوم FBG بمراقبة الإجهاد الخارجي الناجم عن عوامل مثل التغيرات في درجات الحرارة، الضغط الميكانيكي أو التأثيرات. |
|
مراقبة الضغط الداخلي: يقوم FBG بمراقبة الضغط داخل البطارية أثناء الاستخدام أو أثناء الشحن والتفريغ. |
|
| المراقبة المتزامنة لدرجة الحرارة والإجهاد | |
تحسين فاصل البطارية لتحقيق الاستقرار في البطارية
دور وتحديات تصميم الفاصل:الفاصل عبارة عن حاجز مادي في البطارية يمنع الاتصال المباشر بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة ويستوعب الشوارد لتعزيز حركة الأيونات. يحتاج التصميم إلى تحقيق التوازن بين المتانة الميكانيكية والمسامية أو أداء النقل، مما يجعل استخدامه تحديًا في أنظمة البطاريات واسعة النطاق.
طريقة التحسين:يركز البحث الحالي بشكل أساسي على تحسين أغشية البولي أوليفينات التجارية، مثل طلاء أو تطعيم المركبات العضوية/غير العضوية، ومعالجة السطح بمركبات مقاومة للحرارة. يمكن أيضًا استخدام تقنية الغزل الكهربائي لتصنيع أغشية الألياف النانوية، والتي يمكن أن تعزز الاستقرار الحراري. يمكن أن تؤدي إضافة مواد محبة للماء إلى تحسين الأداء وتمنع نمو تشعبات الليثيوم.
إلكتروليت بوليمر غير قابل للاحتراق
مشاكل المنحل بالكهرباء التقليدية واتجاهات التحسين:قد تواجه الإلكتروليتات التقليدية هروبًا حراريًا في ظل الظروف القاسية، مما يؤدي إلى الأكسدة وخلط مواد القطب الكهربائي وحتى الانفجار. يتطلب التحسين دراسة شاملة للخصائص الفيزيائية والكيميائية واستقرار الشوارد والأقطاب الكهربائية. تعد إلكتروليتات البوليمر الصلبة (SPEs) هي الاتجاه المستقبلي، مع عدم وجود تسرب، وقوة ميكانيكية عالية، واستقرار، مما يمكن أن يقلل من تغير حجم مواد الأقطاب الكهربائية.
| أنواع الشركات ذات الأغراض الخاصة | صفات |
| الكيانات الخاصة بأكسيد البولي إيثيلين |
1. الموصلية العالية 2. حجم قابل للتعديل 3. تكلفة أقل 4. الخصائص الكهروكيميائية المتميزة |
| بولي سيلوكسان SPEs |
1. استقرار حراري أفضل 2. عدم القابلية للاشتعال 3. ثوابت عازلة أعلى |
خصائص ومثبطات اللهب للشركات ذات الأغراض الخاصة:تتمتع الكيانات الخاصة ذات الأغراض الخاصة (SPEs) المختلفة بمزايا مختلفة، مثل الموصلية العالية والحجم القابل للتعديل للمنشآت ذات الأغراض الخاصة (SPEs) من أكسيد البولي إيثيلين؛ تتمتع البولي سيلوكسان SPEs بثبات حراري جيد وهي غير قابلة للاشتعال. تتطلب معظم الـ SPEs إضافة مثبطات اللهب، وتكون مثبطات اللهب غير العضوية أكثر أمانًا وأرخص، مما يمكن أن يحسن أداء الـ SPEs ويمنع نمو تشعبات الليثيوم. ومع ذلك، فإن أبحاث SPEs جديدة نسبيًا وتطبيقاتها محدودة، ولا يمكن استبدال الإلكتروليتات التجارية.
| مثبطات اللهب | ملكيات |
| مثبطات اللهب الهالوجين |
1. خفيفة للغاية ورقيقة للغاية 2. صعوبة الاشتعال 3. الجذور الحرة المولدة تخفف من الانحلال الحراري 4. يقوم المنتج بتخفيف تركيز الغازات القابلة للاحتراق والأكسجين |
| مثبطات اللهب الفسفورية العضوية |
1. سلامة أفضل من الحرائق 2. تم تحسين استقرار دورة البطاريات 3. تم تثبيط نمو التشعبات الليثيوم 4. يمكن أن تتحد منتجات التحلل مع الجذور الحرة القابلة للاحتراق |
|
اللهب غير العضوي القائم على الفوسفور مثبطات |
1. سمية منخفضة 2. السعر المنخفض 3. يمكن إجراء الشحن على سطح معدن الليثيوم الموحد 4. منع التشعبات الليثيوم. |
| مثبطات اللهب بحشوة النانو غير العضوية |
1. تسهيل حركة أيونات الليثيوم وتعزيز الأيون الموصلية. 2. تجنب نمو التشعبات الليثيوم 3. القدرة على منع الانتشار الحراري 4. تحسين الاستقرار الحراري |
تثبيط نمو تشعبات الليثيوم
تشكيل ومخاطر التشعبات الليثيوم:تنجم تشعبات الليثيوم عن الترسيب غير المتساوي لأيونات الليثيوم أثناء انتقال الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، مما قد يؤدي إلى تمدد القطب الكهربي، وانخفاض كفاءة كولومبيك، وانخفاض سعة البطارية، وتدهور أداء السلامة، مما يؤدي في النهاية إلى فشل البطارية.
طريقة التثبيط:تمنع من اتجاهين: القطب السالب بالكهرباء ومعدن الليثيوم. يمكن أن تؤدي إضافة المواد المضافة إلى الإلكتروليتات إلى تحسين وظيفة طبقة واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI)، مثل بولي كبريتيد الليثيوم ونترات الليثيوم، والتي يمكن أن تمنع بشكل فعال تكوين تشعبات الليثيوم؛ من منظور الأقطاب الكهربائية، يمكن لأقطاب الليثيوم السالبة ثلاثية الأبعاد أن تقلل من تغير حجم الأقطاب الكهربائية السالبة، مثل أقطاب الجرافين المركبة. هناك أيضًا بعض طبقات SEI الجديدة التي يمكنها أن تمنع بشكل فعال نمو تشعبات الليثيوم.
طريقة طلاء السطح الكهربائي
دور وتطبيق طلاء السطح:طلاء السطح هو التكنولوجيا الرئيسية لحماية الكاثودات وتحسين الاستقرار الحراري لمواد الكاثود، والتي يمكن أن تمنع انتقال الطور وتعزز توصيل المواد. يمكن أن يؤدي استخدام تكنولوجيا طلاء السطح في مواد كاثود النيكل والكوبالت والمنغنيز الثلاثي (NMC) إلى تحسين البنية المجهرية والأداء الكهروكيميائي والتوصيل الحراري ومعامل انتشار الأيونات والاستقرار الحراري، وتقليل الأضرار الهيكلية الداخلية، وزيادة ثبات الدراجات، ومنع ترشيح أيونات المعادن.
طرق وتأثيرات محددة:إذا تم استخدام الطريقة الاصطناعية "الطلاء + التروية" لطلاء مواد معينة في درجة حرارة الغرفة، أو تم استخدام تقنية هلام سول لإنشاء طلاء موحد على سطح الكاثود عند درجة حرارة منخفضة، فيمكن تحسين استقرار الدورة بشكل ملحوظ.
| وجوه) | التحسن بعد الطلاء |
| التشكل المجهري والبنية |
1. هيكل سطحي أكثر إحكاما في القطب الموجب وأمر هيكل شعرية 2. زيادة الاستقرار. |
| توصيف الأداء الكهروكيميائي |
1. تحسين استقرار الدورة بشكل ملحوظ 2. زيادة مضاعف المواد 3. انخفاض مقاومة المواد 4. تحسين أداء نقل الإلكترون |
|
الموصلية الحرارية، معامل انتشار الأيونات والاستقرار الحراري |
1. تحسين أداء نقل الحرارة للمواد النقية 2. تحسين أداء تبريد البطارية والسلامة الحرارية 3. تحسين أداء نشر خط الطول |
3. ملخص
تصنيف الطريقة:يمكن تقسيم طرق تحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون تقريبًا إلى فئتين: الأولى هي مراقبة معلمات البطارية في الوقت الفعلي كنظام إنذار مبكر لمنع حوادث السلامة، والأخرى هي تحسين المواد الداخلية أو هيكل البطارية. البطارية.
تدابير وتأثيرات محددة
في الفئة الأولى، يمكن لأنظمة الإدارة الحرارية للبطارية (BTMS) منع الهروب الحراري، ويتمتع نظام BTMS الهجين بأفضل تأثير تبريد، لكن الهيكل معقد والتكلفة مرتفعة. يمكن لمستشعرات شبكة الألياف Bragg (FBG) مراقبة درجة حرارة البطارية والضغط والضغط في الوقت الفعلي، ويمكنها التعرف بسرعة على ارتفاع درجة الحرارة أو الظروف غير الطبيعية.
وفي الفئة الثانية، قام الباحثون بتحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون من خلال تحسين الفواصل، والكهارل، وتثبيط نمو تشعبات الليثيوم، ومعالجة سطح الكاثود.