Notkun og öryggisvandamál litíumjónarafhlöðu:Lithium ion rafhlöður eru mikið notaðar vegna mikillar orkuþéttleika, mikils framleiðsla og hárrar meðalútgangsspennu. Hins vegar verða slys af völdum bilunar í rafhlöðum á hverju ári og fáir skilja öryggisáhættu virkan. Þess vegna er mikilvægt að bera kennsl á og draga úr öryggisáhættu af litíum rafhlöðum.
Meginefni greinarinnar:Í fyrsta lagi er fyrirbærið hitauppstreymi greint og fjallað um ýmis vöktunarkerfi. Þá er lögð áhersla á beitingu Bragg grating skynjara (FBG) í rauntíma uppgötvun rafhlöðugagna. Að lokum eru aðferðir til að draga úr öryggisvandamálum í litíum rafhlöðum teknar saman, þar á meðal notkun rafskauts yfirborðshúðunar, raflausna, skilju og bælingar á litíum dendrite vexti. Þetta innihald hefur viðmiðunargildi fyrir framtíðarrannsóknir á öryggi litíum rafhlöðu.
1. Inngangur
Notkun og öryggisvandamál litíumjónarafhlöðu eru lögð áhersla á:þróun endurnýjanlegrar orku er stefna samtímans og rafhlöður eru alls staðar nálægar í daglegu lífi. Lithium ion rafhlöður eru mikið notaðar og mikilvægar fyrir þróun nýrra orkusviða. Hins vegar, á undanförnum árum, hefur ofhitnunarvandamál þeirra haft áhrif á þróun rafknúinna ökutækja og öryggi rafgeyma hefur verið áhyggjuefni.
Rannsóknarstefna og tilgangur greinarinnar:Vísindamenn nota ýmsa tækni til að bæta öryggi litíumjónarafhlöðu. Eins og er eru rannsóknir á öryggisvöktun á spá og viðvörunaraðferðum um hitauppstreymi rafhlöðu vinsæl stefna. Greinin miðar að því að draga saman viðeigandi háþróaðar aðferðir og kynna nýjustu rannsóknirnar.
2. Núverandi aðferðir til að bæta öryggisþætti
Orsök öryggisslyss:Þegar litíum rafhlöður eru notaðar á rangan hátt (svo sem ofhleðsla, ofhitnun, högg, skammhlaup) hækkar hitastigið óeðlilega, veldur innri efnahvörfum og framleiðir gas og reyk. Öryggisventillinn opnast og hitinn eykur hitastigið enn frekar, sem getur leitt til bruna eða sprengingar.
Leiðir til að bæta öryggi:fela aðallega í sér að fylgjast með og forðast öryggisslys, uppfæra rafhlöðumannvirki eða skipta út erfiðum íhlutum.
Sérstakar aðferðir til að bæta öryggi litíumjónarafhlöðu
Koma í veg fyrir hitauppstreymi
Regla um hitauppstreymi:Útverma viðbrögð efna inni í rafhlöðunni valda því að rafhlaðan hitnar hratt og losar efnaorku. Margir þættir geta valdið ofhitnun, svo sem aflögun byggingarinnar, skammhlaup, ofhleðslu, öldrun íhluta, bilun í kælikerfi osfrv. Mikil orkuþéttleiki rafhlaðna og notkun eldfimra raflausna eykur hættuna á hitauppstreymi.
Kælikerfi:Vísindamenn hafa þróað rafhlöðuhitastjórnunarkerfi (BTMS), þar á meðal loftkælikerfi og fljótandi kælikerfi, en bæði hafa galla. Hybrid kælikerfið sameinar kosti beggja og getur betur stjórnað og stjórnað hitaleiðni rafhlöðunnar og ákveðið val ætti að vera ákvarðað í samræmi við aðstæður.
| Kælikerfi | Kostir | Ókostir |
|
Loftkælt BTMS |
Létt í uppbyggingu Lágur kostnaður í þróun og viðhald. |
1. Lítil hitaleiðni og viðkvæmni fyrir varma bráðnun. 2. Erfitt að nota í rafknúnum ökutækjum. |
|
Vökvi kældur BTMS |
Mikil hitageta og hitauppstreymi leiðni. |
1. Viðkvæmt fyrir vökvaleka 2. Erfitt að bæta kerfið vegna flókinnar uppbyggingar |
| Hybrid BTMS | Betri kælivirkni | 1. Fleiri íhlutir og flókið |
Fiber Bragg grating sensor (FBG)
Eftirlitsregla:Komdu í veg fyrir öryggisáhættu með því að fylgjast með mörgum einkennum rafhlöðunnar í rauntíma. Nútímaaðferðir endurspegla oft rafhlöðuna óbeint með því að fylgjast með hitaflæði eða greina sprungur á rafskautum, en FBG skynjarar geta beint eða óbeint mælt hitastig og álagssvörun innan og utan rafhlöðunnar og rannsakað niðurbrot raflausna í gegnum samspil ljóss sem ljósleiðarar og ljósleiðar bera með sér. nærliggjandi efnaumhverfi.
Kostir:FBG skynjarar hafa einkenni lágmarks ífarandi, andstæðingur rafsegultruflanir og einangrun. Þeir geta samt veitt gögn nákvæmlega við háan hita og háan þrýsting. Þegar vísarnir ná mikilvægu gildinu er hægt að stilla eða slíta rafhlöðunotkun tímanlega og bæta öryggi rafhlöðunotkunar.
|
Hitastig Eftirlit |
Ytri hitastigseftirlit: FBG skynjari er beint festur við yfirborð rafhlöðunnar (sem getur verið í formi af mynt eða strokk) til að ná hitastigsgreiningu í rauntíma. |
|
Vöktun á innri hitastigi: er sett beint inn í rafhlöðuna til að greina innri hitastig. |
|
| Álagseftirlit |
Ytri álagseftirlit: FBG fylgist með ytra álagi sem stafar af þáttum eins og hitabreytingum, vélrænni þjöppun, eða högg. |
|
Vöktun á innri álagi: FBG fylgist með álagi inni í rafhlöðunni við notkun eða við hleðslu og afhleðslu. |
|
| Samtímis eftirlit með hitastigi og álagi | |
Bættu rafhlöðuskiljuna til að koma rafhlöðunni á stöðugleika
Hlutverk og hönnunaráskoranir skilju:Skilja er líkamleg hindrun í rafhlöðu sem kemur í veg fyrir beina snertingu á milli jákvæðu og neikvæðu rafskautanna og rúmar raflausnir til að stuðla að hreyfingu jóna. Hönnunin þarf að halda jafnvægi á vélrænni endingu og porosity eða flutningsgetu, sem gerir hana að áskorun fyrir notkun í stórum rafhlöðukerfum.
Umbótaaðferð:Núverandi rannsóknir beinast aðallega að því að bæta pólýólefín (PP) himnur í atvinnuskyni, svo sem húðun eða ágræðslu á lífrænum/ólífrænum efnasamböndum, og meðhöndla yfirborðið með hitaþolnum efnasamböndum. Rafspunatækni er einnig hægt að nota til að framleiða nanófrefjahimnur, sem geta aukið varmastöðugleika. Að bæta við vatnssæknum efnum getur bætt afköst og hindrað vöxt litíumdendríts.
Óbrennanleg fjölliða raflausn
Hefðbundin rafsaltavandamál og leiðbeiningar um endurbætur:Hefðbundin raflausn getur orðið fyrir hitauppstreymi við erfiðar aðstæður, sem leiðir til oxunar, blöndunar rafskautsefna og jafnvel sprengingar. Umbætur krefjast víðtækrar skoðunar á eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum og stöðugleika raflausna og rafskauta. Solid fjölliða raflausnir (SPEs) eru framtíðarstefnan, án leka, hár vélrænni styrkur og stöðugleiki, sem getur dregið úr rúmmálsbreytingum rafskautsefna.
| SPE tegundir | Einkenni |
| Pólýetýlenoxíð SPEs |
1. Meiri leiðni 2. Stillanleg stærð 3. Minni kostnaður 4. Framúrskarandi rafefnafræðilegir eiginleikar |
| Polysiloxane SPEs |
1. Betri hitastöðugleiki 2. Óeldfimi 3. Hærri rafstuðull |
Eiginleikar og logavarnarefni SPE:Mismunandi SPEs hafa mismunandi kosti, svo sem hár leiðni og stillanleg stærð pólýetýlenoxíð SPEs; Polysiloxane SPEs hafa góðan hitastöðugleika og eru ekki eldfim. Flestar SPEs þurfa að bæta við logavarnarefni og ólífræn logavarnarefni eru öruggari og ódýrari, sem getur bætt afköst SPEs og hindrað litíum dendrite vöxt. Hins vegar eru SPE rannsóknir tiltölulega nýjar og notkun þeirra er takmörkuð og ekki er hægt að skipta út raflausnum í sölu.
| Logavarnarefni | Eiginleikar |
| Halógen logavarnarefni |
1. Ofurlétt, ofurþunnt 2. Erfitt að kveikja í 3. Mynduð sindurefni draga úr hitauppstreymi 4. Varan þynnir styrk eldfimra lofttegunda og súrefnis |
| Lífrænt fosfór logavarnarefni |
1. Betra brunaöryggi 2. Hringrásarstöðugleiki rafgeyma var bættur 3. Vöxtur litíumdendríta var hindraður 4. Niðurbrotsefni geta sameinast eldfimum sindurefnum |
|
Ólífrænn loga sem byggir á fosfór Töfrandi efni |
1. Lítil eiturhrif 2. Lágt verð 3. Getur gert hleðsluna á yfirborði málm litíum einsleit 4. Komið í veg fyrir litíum dendrites. |
| Ólífrænt Nano-Filler logavarnarefni |
1. Auðvelda hreyfingu litíumjóna og auka jón leiðni. 2. Forðastu vöxt litíumdendríta 3. Geta til að hindra varmaútbreiðslu 4. Bættur hitastöðugleiki |
Hindrun á vexti litíumdendríts
Myndun og hættur litíumdendríta:Lithium dendrites orsakast af ójafnri útfellingu litíumjóna við flutning jákvæðra og neikvæðra rafskauta, sem getur leitt til rafskautsstækkunar, minni Coulombic skilvirkni, minni rafhlöðugetu og versnandi öryggisafköstum, sem að lokum leiðir til rafhlöðubilunar.
Hindrunaraðferð:Hindra úr tveimur áttum: raflausn og litíum málm neikvæð rafskaut. Að bæta aukefnum við raflausn getur aukið virkni fasta raflausnaviðmótsins (SEI) lagsins, svo sem litíumpólýsúlfíð og litíumnítrat, sem getur í raun hamlað myndun litíumdendríta; Frá sjónarhóli rafskauta geta þrívíð litíum neikvæð rafskaut dregið úr rúmmálsbreytingu neikvæðra rafskauta, svo sem samsettra grafenskauta. Það eru líka nokkur ný SEI lög sem geta á áhrifaríkan hátt hamlað litíum dendrite vexti.
Yfirborðshúð rafskautsaðferð
Hlutverk og notkun yfirborðshúðunar:Yfirborðshúð er aðaltæknin til að vernda bakskaut og bæta hitastöðugleika bakskautsefna, sem getur bælt fasaskipti og aukið leiðni efnisins. Notkun yfirborðshúðunartækni í nikkel kóbalt mangan ternary (NMC) bakskautsefnum getur bætt örbyggingu, rafefnafræðilega frammistöðu, hitaleiðni, jónadreifingarstuðul og hitastöðugleika, dregið úr innri skemmdum á byggingu, aukið stöðugleika hringrásar og komið í veg fyrir útskolun málmjóna.
Sérstakar aðferðir og áhrif:Ef gerviaðferðin „húð+flæði“ er notuð til að húða tiltekin efni við stofuhita, eða Sol hlaup tæknin er notuð til að búa til einsleita húð á bakskautyfirborðinu við lágt hitastig, er hægt að bæta stöðugleika hringrásarinnar verulega.
| Þættir | Endurbætur eftir húðun |
| Smásæ formgerð og uppbygging |
1. Samþykkari yfirborðsbygging í jákvæðu rafskauti og pantað grindarbyggingu 2. Aukinn stöðugleiki. |
| Rafefnafræðileg frammistöðueinkenni |
1. Verulega bættur stöðugleiki hringrásar 2. Efnismargfaldari hækkaður 3. Efniviðnám minnkað 4. Afköst rafeindaflutninga batnað |
|
Varmaleiðni, dreifingarstuðull og hitastöðugleiki |
1. Hitaflutningsárangur hreinna efna bætt 2. Rafhlaða kæling og hitauppstreymi öryggi árangur batnað 3. lon dreifing árangur batnað |
3. Samantekt
Aðferðarflokkun:Aðferðir til að bæta öryggi litíumjónarafhlöðu má gróflega skipta í tvo flokka: annar er að fylgjast með rafhlöðubreytum í rauntíma sem viðvörunarkerfi til að koma í veg fyrir öryggisslys og hinn er að bæta innri efni eða uppbyggingu rafhlöðuna.
Sérstakar ráðstafanir og áhrif
Í fyrsta flokki geta rafhlöðuhitastjórnunarkerfi (BTMS) komið í veg fyrir hitauppstreymi og blendingur BTMS hefur bestu kæliáhrifin, en uppbyggingin er flókin og kostnaðurinn hár. Fiber Bragg grating (FBG) skynjarar geta fylgst með hitastigi rafhlöðunnar, álagi og þrýstingi í rauntíma og geta fljótt greint ofhitnun eða óeðlilegar aðstæður.
Í öðrum flokki hafa vísindamenn bætt öryggi litíumjónarafhlöðu með því að bæta skiljur, raflausn, hindra vöxt litíumdendríts og meðhöndla bakskautyfirborðið.