Visoka sigurnost nikal-litij baterija postala je konsenzus, ali poluprovodničke litijeve baterije sada su podijeljene
Tržište električnih vozila koje poštuje gustoću energije donijelo je velike izazove sigurnosti baterija i kompletnih vozila. U 2018. godini u Kini su se dogodile 52 sigurnosne nesreće na milijun električnih vozila. Što se tiče scena, punjenje, vožnja i parkiranje su sve scene u kojima se događaju sigurnosne nesreće.
Ako se analiziraju razlozi, 58% požarnih nesreća uzrokovano je toplinskim bijegom litijevih baterija. Gotovo 90% toplinskog bijega uzrokovano je kratkim spojevima. Na razini stanice, pozitivni i negativni materijali, elektrolit i dijafragma su izravni osigurač za toplinski bijeg. Nakon grupiranja, kako suzbiti toplinsku difuziju u konstrukcijskom dizajnu, hlađenju i električnoj kontroli povezano je s tim može li se rizik od toplinskog bijega smanjiti ili ugušiti.
Od 16. do 17. listopada 2019. u Šangaju je održana konferencija o tehnologiji novih energetskih akumulatora za vozila sljedeće generacije 2019. Kina-Japan-Koreja. Konferencija je podijeljena na dva foruma, teme su toplinska sigurnost i rješenja baterija te ključna tehnologija za poluprovodničke baterije i izazovi industrijalizacije.
Forum 1, proizvođači originalne opreme, tvrtke za električne baterije, poznata sveučilišta, laboratoriji i institucije za ispitivanje raspravljat će o uzrocima i rješenjima za toplinski bijeg baterija s visokim sadržajem nikla jer se specifična energetska razina akumulatora nastavlja povećavati. Forum 2 bavi se analizom različitih puteva tehnologije poluprovodničkih baterija i statusa quo.
Sustav za uvid u toplinsku sigurnost
Cijeli životni ciklus akumulatora počinje od odabira sustava materijala, do dovršetka akumulatorske ćelije, oblikovanja modula i paketa, upravljanja baterijom nakon ugradnje i primjene, do uporabe u pogonu vozila.
Osnovni uzrok toplinskog bijega je baterija. Pozitivne i negativne elektrode su"osigurač" a elektrolit je"skladište goriva". Treba samo"iskra" izazvati toplinski bijeg ili požar.
& quot;Iskre" ili dolaze iz unutrašnjosti stanice ili nastaju izvana. Unutarnji čimbenici uglavnom se odnose na nestabilne čimbenike koji nastaju tijekom dizajna i proizvodnje baterije; vanjski čimbenici uglavnom se odnose na razloge uzrokovane osobljem i vanjskim uvjetima tijekom transporta, ugradnje, rada i održavanja baterije.
Toplinski sigurnosni kvar baterije uglavnom je uzrokovan lokalnim pregrijavanjem, što uzrokuje kratki spoj unutar baterije, ili mikro kratki spoj uzrokuje oštećenje membrane baterije i kratki spoj veće površine.
Litij-ionske baterije su nadograđene s NCM111 i NCM523 na NCM622 i NCM811. Sadržaj nikla u ternarnom materijalu pozitivne elektrode nastavlja rasti, temperatura oslobađanja kisika nastavlja padati, a toplinska stabilnost materijala pozitivne elektrode postaje sve gora i lošija. Smanjenje temperature oslobađanja kisika znači da je litijeva baterija otpornija na toplinu. Kako temperatura raste, materijal pozitivne elektrode mijenja se iz slojevite strukture u strukturu spinela, a zatim stvara kamenu sol i oslobađa aktivni kisik. Rast kamene soli i oslobađanje kisika temeljni su problemi uzrokovani toplinskim bijegom.
Elektrokemijska zloupotreba je najveći problem za tvornice baterija. U uvjetima zlostavljanja kao što su toplinski šok, prekomjerno punjenje i prekomjerno pražnjenje, aktivni materijal i elektrolit unutar baterije će proizvesti litijeve dendrite, koji probijaju dijafragmu i uzrokuju unutarnji kratki spoj. Evolucija litija u negativnoj elektrodi glavni je uzrok rasta litijevih dendrita. Stoga je važno pitanje kako spriječiti litijeve dendrite.
Kratki spoj pozitivne i negativne elektrode uzrokovan kvarom dijafragme važan je dio toplinskog bijega. Kada se sigurnosni film SEI filma uništi, elektrolit reagira s elektrodom stvarajući toplinu, koja će otopiti dijafragmu. Štoviše, neprijatelj okrenut dijafragmi su litijevi dendriti, koji ugrožavaju njezin integritet i stabilnost.
Osim kvara baterije uzrokovanog unutarnjim kratkim spojem, prekomjernim punjenjem, starenjem baterije itd., mehanički kvar u ekstremnim uvjetima kao što su vanjski kratki spoj, istiskivanje, požar, uranjanje i simulirani sudar također će se pretvoriti u unutarnji kratki spoj i uzrokovati električni kvar, što će na kraju dovesti do toplinskog bijega.
Neki kvarovi i degradacije performansi koje se mogu pojaviti tijekom punog životnog ciklusa baterije' uzrokovat će korištenje baterija izvan raspona sigurne uporabe i uzrokovati neke sigurnosne nesreće.
Tvornica baterija i OEM rade zajedno
Unutarnji i vanjski uzroci toplinskog bijega zahtijevaju suradnju proizvođača baterija i OEM-a kako bi se osiguralo cjelokupno rješenje, uključujući pozitivne i negativne materijale, separatore, elektrolit, upravljanje baterijom i dizajn PACK strukture.
Za tvornice baterija potražite visokotlačne i visokotemperaturne otporne elektrolite otporne na plamen, monokristalne katodne materijale otporne na visoke temperature, anodne materijale koji inhibiraju litijeve dendrite ili koristite katode NMC811 obložene zaštitnim sredstvima za poboljšanje suhoće. Primjena francuske dijafragme uvodi keramičku dijafragmu za suzbijanje toplinskog bijega na razini stanice.
Za OEM proizvođače, obraćanje pažnje na sigurnost same baterije nije dovoljno. Uz probleme same baterije, električni spoj baterije, mehanička sigurnost, priključak za punjenje, problemi svakodnevnog korištenja i brzo rješavanje problema su srž sigurnosti električnih vozila.
OEM's sigurnosni sustav zaštite baterije je dizajniran i verificiran s četiri aspekta: monomer, modul, BMS i sustav. S jedne strane, sami proizvođači baterija osiguravaju sigurnost u vezi s dizajnom i proizvodnjom. S druge strane, proizvođači originalne opreme razmatraju mehaničku, električnu i toplinsku sigurnost iz perspektive sigurnosti modula, kao što je sigurnosni razmak, dizajn sile i zaštita.
Što se tiče strukture sklopa, proizvođači originalne opreme moraju uzeti u obzir različite radne uvjete vozila, kao i rashladne cjevovode, nove tehnologije hlađenja, rano upozorenje na toplinski bijeg i neproliferaciju. Istodobno, moraju razmotriti aktivno gašenje požara i način gašenja požara kroz vanjske strukture.
Proizvođači originalne opreme općenito razmišljaju o tome kako poboljšati dizajn sigurnosti baterije na razini sustava. Bilo da se radi o materijalima pozitivnih i negativnih elektroda, elektrolitima, dijafragmama, strukturnom dizajnu, hlađenju, upravljanju toplinom i upozorenjima iz opreza PACK-a nakon grupe, sve su to objekti OEM analize.
Sigurnost litij baterija je velika tema, koja uključuje sve aspekte od materijala, proizvodnje do primjene. Osiguravanje toplinske sigurnosti električnih vozila zahtijeva suradnju OEM-a, tvornica baterija i institucija za testiranje kako bi se analizirao mehanizam toplinskog bijega i istražile nove tehnologije za odgađanje pojave toplinskog bijega.
Različiti zvukovi solid-state baterija
Kretanje električnih vozila naprijed ukazuje na to da specifični energetski standard akumulatora neće ići unatrag. Primjena visokopotencijalnih pozitivnih i negativnih materijala postala je trend, a NCM811 i silikonske ugljične anode sve se više pojavljuju u tehničkim rutama tvornica baterija. No opasnost od požara i dalje prijeti primjenom baterija s visokim sadržajem nikla. Stoga su proizvođači baterija i OEM-i svoju pozornost usmjerili na krute elektrolite otporne na plamen, otporne na visoki tlak, nadajući se da će riješiti problem ravnoteže između specifične energije i sigurnosti.
Međutim, na ovoj konferenciji Kina-Japan-Koreja, stavovi kineskih i japanskih gostiju o istraživanju i primjeni solid-state baterija su vrlo različiti, što dovodi u pitanje inherentne stavove industrije' o solid-state baterijama . U odnosu na usklađene napore mjesta za sigurnosno rješenje s visokim udjelom nikla, mjesto za čvrste baterije napreduje u razlikama.
Japanski 30-godišnji stručnjak za solid-state baterije, dr. Tadahiko Kubota, bivši japanski stručnjak za jezgru baterija Toyote i Honde Ogi Eiki, komentira trenutno stanje istraživanja čvrstih baterija može se opisati kao"pesimističan" ;. Poprilično je teško primijeniti čvrste baterije na električna vozila. S druge strane, domaće tvornice baterija kao što su Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Kineska akademija znanosti, Sveučilište Tongji i Sveučilište Jiaotong u Šangaju neumorno rade na solid-state baterijama.
Mišljenja japanskih stručnjaka mogu se sažeti na sljedeći način: Toyota Sulfide je još uvijek u fazi istraživanja i razvoja, a masovna proizvodnja je nemoguća uz trenutnu razinu tehnologije. Njegova izvorna namjera razvoja solid-state baterija bila je smanjenje baterija za hibridna vozila. Vanjski svijet pogrešno vjeruje da se u električnim vozilima koriste solid-state baterije. To je razlika između Toyotinog's unutarnjeg razmišljanja i vanjskog javnog mnijenja.
Što se tiče sigurnosti, solid-state baterije također mogu proizvoditi litijeve dendrite, a sigurnost je vrlo zabrinjavajuća. A sudeći o njegovoj sigurnosti ne može se suditi po tome je li elektrolit zapaljiv. Najvažniji problem je izravan kontakt između pozitivne elektrode i negativne elektrode visoke gustoće energije.
Potpuno krute baterije mogu povećati gustoću energije, jedan od razloga je taj što se vanjski materijali mogu smanjiti. Ali to nije samo karakteristična karakteristika potpuno čvrstih baterija.
Što se tiče brzog punjenja, Toyotin&rad i većina istraživača nisu potvrdili nikakve dokaze da se sve solid-state baterije mogu brzo puniti. Svi su rekli da se tijekom punjenja stvaraju litijevi dendriti. Što više ljudi razumije potpuno čvrste baterije, to više poriču da se mogu brzo puniti.
Većina patenata Toyote' u posljednjem desetljeću odnosi se na impedanciju. Proučava se taj problem od prije deset godina, a i dalje je veliki problem.
Pogledi domaćih tvornica baterija: Širenje pravih požara izravno je povezano s organskim tekućim elektrolitima. Čvrsti elektroliti u rasponu od polimera do keramičkih elektrolita mogu poboljšati sigurnost baterije u različitim stupnjevima. Što se tiče sigurnosti i gustoće energije, solid-state baterije su poboljšane u usporedbi s konvencionalnim tradicionalnim litij-ionskim baterijama u prošlosti. Pretpostavka je da moramo imati dobru tehnologiju kako bismo riješili problem sučelja i osigurali da se čvrsti elektrolit može prilagoditi dizajnu baterije i ispuniti zahtjeve za bateriju visokog omjera energije.
Vjerujemo da solid-state baterije imaju prednosti u nekim aspektima. Kada se dijafragma i elektrolit zamijene čvrstim tvarima, imat će veću sigurnost. Kada se poveća sigurnosni prag cijelog sustava, ovaj sustav može koristiti pozitivne i negativne materijale visokog potencijala, kao što su negativne elektrode litij metala, te će u budućnosti imati veću gustoću energije.
Trenutačno razmišljanje je biti kompatibilan s postojećom opremom litij baterija i tehnologijom litij baterija što je više moguće, te smanjiti trošak što je više moguće. Budući da poluprovodničke baterije imaju veliku gustoću energije i visoku sigurnost, one se mogu prvo koristiti u nekim posebnim situacijama.
Prednost čvrstih baterija u gustoći energije relativno nije očita na razini ćelije, a izraženija je na razini PACK. Do 2021. godine krute baterije će koristiti aktivne materijale s većim stopama iskorištenja, a gustoća energije na staničnoj razini bit će ista kao kod tekućih baterija, a zatim će je postupno nadmašiti.
Iako domaći i inozemni stručnjaci imaju sporove oko gustoće energije i sigurnosti poluprovodničkih baterija, u osnovi smatraju da je komercijalna primjena čvrstih baterija dugotrajan proces kako bi se riješili neki od nedostataka tekućih baterija. Stoga se poluprovodničke baterije mogu prvo uvesti iz područja motocikala i potrošačke elektronike, a zatim ući u polje električnih vozila kada su tri dimenzije sigurnosti, performansi i cijene zrele.
