Kao osnovni izvor napajanja za moderne elektronske uređaje i električna vozila, litijum{0}}jonske baterije se široko koriste u pametnim telefonima, električnim vozilima (EV) i osobnim lakim električnim vozilima (PLEV) kao što su e-skuteri i e-bicikli. Uprkos prednostima velike gustine energije, dugog životnog ciklusa i brzog punjenja, termički bijeg (TR) ostaje najteža bezbjednosna opasnost litijum{4}}jonskih baterija. Kada temperatura baterije pređe kritični prag (obično 150-180 stepeni), ona pokreće nekontrolisani ciklus samozagrevanja, oslobađajući veliku količinu toplote i toksičnih gasova, što dovodi do požara ili čak eksplozija.
Uz česte slučajeve požara PLEV akumulatora, postalo je posebno hitno duboko razumjeti mehanizam termičkog bijega i poduzeti preventivne mjere. Ovaj članak će provesti sistematsku analizu od mehanizma do rješenja.
I. Osnovne karakteristike termičkog bijega
Termički bijeg je lančana hemijska reakcija koja se događa kada brzina stvaranja topline unutar litijum{0}}jonske baterije premašuje njen kapacitet disipacije topline, sa karakteristikom samoodrživog ubrzanja dok se ne potroše svi zapaljivi elementi u bateriji. Njegove osnovne manifestacije uključuju:
1. Nekontrolisani porast temperature
- Prag okidanja: Egzotermne reakcije se javljaju između elektrolita i materijala elektrode na 150-180 stepeni.
- Brzina porasta temperature: Toplina koju oslobađa reakcija može uzrokovati porast temperature iznad 1000 stepeni.
- Rizik od širenja: Visoke temperature mogu uzrokovati širenje topline u susjednim baterijama.
2. Erupcija plina i pucanje školjke
- Sastav plina: Razlaganjem elektrolita nastaju zapaljivi i toksični plinovi kao što su vodonik i ugljični monoksid.
- Akumulacija pritiska: Nagli porast unutrašnjeg pritiska zapečaćene ljuske dovodi do pucanja.
- Sekundarne katastrofe: Eruptirani plinovi mogu eksplodirati kada naiđu na varnice.
3. Otpuštanje vatre i toksičnih gasova
- Karakteristike sagorevanja: Temperatura plamena prelazi 1000 stepeni, a katodni materijali se raspadaju da bi oslobodili kiseonik koji podržava sagorevanje.
- Tradicionalna metoda gašenja požara gušenjem je neefikasna i zahtijeva kontinuiranu kontrolu hlađenja.
- Toksične emisije: Oslobađanje korozivnih gasova kao što je fluorovodonična kiselina (HF), koja šteti respiratornom traktu.
4. Mehanizam toplinskog širenja
II. Analiza četiri inducirajuća faktora za termičko bijeg
1. Mehaničko zlostavljanje
- Sudar i probijanje: Vanjske sile uzrokuju oštećenje separatora, što dovodi do unutrašnjih kratkih spojeva (npr. e-nesreće pri padu vozila).
- Zamor od vibracija: Kontinuirana vibracija uzrokuje mikro-pukotine na elektrodama, povećavajući rizik od lokalnog pregrijavanja.
- Prijedlozi za inženjersku zaštitu: U strukturnom dizajnu baterijskih modula, korištenjem-velike čvrstoće SMT bakrenih trakastih veza može poboljšati mehaničku stabilnost i smanjiti mikro-oštećenja izazvana vibracijama.
2. Zloupotreba električne energije
- Prekomjerno punjenje ili prekomjerno pražnjenje uzrokuje propadanje unutrašnje strukture
- Overcharging (>4,2V/ćelija): Litijumsko prevlačenje na anodi formira dendrite koji prodiru u separator.
- Prekomjerno{0}}pražnjenje (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Kvar BMS-a: Sistem upravljanja baterijom ne radi i ne može spriječiti abnormalna stanja.
3. Termalna zloupotreba
- Visoka temperatura okoline: Baterije su izložene okolini iznad 60 stepeni (npr. unutar vozila pod intenzivnom sunčevom svetlošću).
- Nedovoljno rasipanje toplote: Baterije u modulima su složene pregusto, što uzrokuje akumulaciju toplote.
- Defekti u upravljanju toplotom: Nedostatak efikasnog dizajna puta za disipaciju toplote.
4. Defekti u proizvodnji
- Metalne nečistoće: metalne čestice veličine mikrona koje preostale u proizvodnom procesu prodiru u separator.
- Defekti separatora: Neujednačen premaz dovodi do lokalnog kvara izolacije.
- Inferiorne ćelije: Krivotvorene baterije nemaju zaštitu od sigurnosnih ventila (CID) i pozitivnog temperaturnog koeficijenta (PTC).
Ⅲ.Thermal Runaway Prevention Technology System
1. Poboljšanja u dizajnu upravljanja toplinom
- Termoizolacione barijere: Keramički premazi/aerogel materijali se koriste za odlaganje toplotnog širenja.
- Sistemi za hlađenje: EV: Cirkulacioni cevovodi za hlađenje tečnosti; PLEV: poboljšani hladnjak + dizajn hlađenja zraka.
- Optimizacija strukture: Na nivou modula, razuman raspored SMT bakarnih traka visoke toplotne provodljivosti može uspostaviti efikasne bočne puteve odvođenja toplote i u kombinaciji sa materijalima za promenu faze kako bi se poboljšala toplotna ravnoteža.
2. Inteligentni sistem upravljanja baterijom (BMS)
- Trostruko praćenje:-detekcija napona, struje i temperature u realnom vremenu.
- Aktivna zaštita: Automatsko isključenje{0}}za prekomjerno punjenje/preko{1}}pražnjenje; Dinamičko balansiranje napona ćelija.
- Mehanizam ranog upozorenja: Bežični prijenos nenormalnih alarmnih signala.
3. Intrinsički sigurni materijali
Poređenje različitih materijala baterija
4. Mjere zaštite-korisničke strane
- Specifikacije punjenja: Koristite originalne punjače; Izbjegavajte punjenje preko noći; Održavajte nivo napunjenosti između 20%-80%.
- Uslovi skladištenja: Hladno i provetreno okruženje, dalje od zapaljivih materija.
- Identifikacija abnormalnosti: Odmah prestanite da ga koristite kada se nađe izbočina ili neobičan miris.
Ⅳ. Najsavremenije-tehnologije za praćenje
- Regulatorni standardi: Provedite sigurnosne certifikate kao što su UL 2271 i IEC 62619.
- Odgovornosti proizvođača: Uspostaviti sistem sljedivosti ćelija; Eliminišite cirkulaciju inferiornih baterija.
- Tehnološka inovacija: Promovirajte tehnologiju terminala za lasersko zavarivanje kako biste osigurali pouzdanost električnih veza i smanjili lokalno pregrijavanje uzrokovano otporom kontakta.
Ⅴ.Zaključak
S brzim razvojem industrije električnog transporta i skladištenja energije, sprječavanje termičkog bijega litijum{0}}jonskih baterija zahtijeva više-dimenzionalnu saradnju u istraživanju i razvoju materijala, inženjerskom dizajnu i edukaciji korisnika. Optimiziranjem dizajna upravljanja toplinom (kao što su SMT sheme provođenja topline od bakrene trake), popularizacijom inteligentnih BMS sistema i promoviranjem sigurnih hemijskih sistema kao što je LFP, možemo izgraditi pouzdaniji ekosistem za skladištenje energije.
