Høj nikkel lithium batteri sikkerhed er blevet en konsensus, men solid state lithium batterier er nu opdelt
Et marked for elektriske køretøjer, der respekterer energitætheden, har medført enorme udfordringer for sikkerheden af batteripakker og komplette køretøjer. I 2018 var der 52 sikkerhedsulykker per million elektriske køretøjer i Kina. Med hensyn til scener er opladning, kørsel og parkering alle scener, hvor der sker sikkerhedsulykker.
Hvis årsagerne analyseres, er 58 % af brandulykkerne forårsaget af termisk bortløb af lithiumbatterier. Næsten 90 % af den termiske løbsk skyldes kortslutninger. På celleniveau er de positive og negative materialer, elektrolyt og diafragma den direkte sikring for termisk løb. Efter gruppering er hvordan man undertrykker termisk diffusion i strukturelt design, køling og elektrisk styring relateret til, om risikoen for termisk løbsk kan reduceres eller kvæles.
Fra den 16. til den 17. oktober 2019 blev 2019 Kina-Japan-Korea Next Generation New Energy Vehicle Battery Technology Conference afholdt i Shanghai. Konferencen er opdelt i to fora, emnerne er batteri termisk sikkerhed og løsninger og solid-state batteri nøgle teknologi og industrialisering udfordringer.
Forum 1, OEM'er, strømbatterifirmaer, velkendte universiteter, laboratorier og testinstitutioner vil diskutere årsagerne og løsningerne til termisk løbsk af høj-nikkel batterier, efterhånden som det specifikke energiniveau for strømbatterier fortsætter med at stige. Forum 2 handler om analyse af forskellige solid-state batteri teknologi ruter og status quo.
System til at se termisk sikkerhed
Et strømbatteris fulde livscyklus starter fra valget af materialesystemet, til færdiggørelsen af battericellen, støbning af moduler og PACKS, batteristyringen efter installation og påføring, til brug i køretøjsdrift.
Grundårsagen til termisk løb er battericellen. De positive og negative elektroder er"sikringen" og elektrolytten er"brændstoflagring". Den behøver kun en"gnist" at forårsage termisk flugt eller brand.
& quot;Gnister" enten kommer inde fra cellen eller opstår udefra. Interne faktorer refererer hovedsageligt til ustabile faktorer, der genereres under batteridesign og -fremstilling; eksterne faktorer refererer hovedsageligt til årsager forårsaget af personale og eksterne forhold under batteritransport, installation og drift og vedligeholdelse.
Batteriets termiske sikkerhedsfejl er hovedsageligt forårsaget af lokal overophedning, som forårsager en kortslutning inde i batteriet, eller en mikrokortslutning forårsager skade på batterimembranen og en kortslutning i et større område.
Lithium-ion-batterier er blevet opgraderet fra NCM111 og NCM523 til NCM622 og NCM811. Nikkelindholdet af det positive elektrode ternære materiale fortsætter med at stige, oxygenfrigivelsestemperaturen fortsætter med at falde, og den termiske stabilitet af det positive elektrodemateriale bliver værre og værre. Faldet i iltfrigivelsestemperaturen betyder, at lithiumbatteriet er mere varmebestandigt. Når temperaturen stiger, ændres det positive elektrodemateriale fra en lagdelt struktur til en spinelstruktur og danner derefter stensalt og frigiver aktivt ilt. Væksten af stensalt og frigivelsen af ilt er de grundlæggende problemer forårsaget af termisk flugt.
Elektrokemisk misbrug er det mest hovedpineproblem for battericellefabrikker. Under misbrugsforhold, såsom termisk stød, overopladning og overafladning, vil det aktive materiale og elektrolytten inde i batteriet producere lithiumdendritter, som gennemborer membranen og forårsager en intern kortslutning. Lithiumudvikling i den negative elektrode er en væsentlig årsag til væksten af lithiumdendritter. Derfor er det et vigtigt spørgsmål, hvordan man forebygger lithiumdendritter.
Kortslutningen af de positive og negative elektroder forårsaget af svigt i membranen er en vigtig del af termisk løb. Når sikkerhedsfilmen på SEI-filmen ødelægges, reagerer elektrolytten med elektroden for at generere varme, som vil smelte membranen. Desuden er fjenden, der står over for membranen, lithiumdendritter, hvilket truer dens integritet og stabilitet.
Ud over batterifejl forårsaget af intern kortslutning, overopladning, batteriældning osv., vil mekanisk fejl under ekstreme forhold som ekstern kortslutning, ekstrudering, brand, nedsænkning og simuleret kollision også blive konverteret til intern kortslutning og forårsage elektrisk fejl, som i sidste ende vil føre til termisk løbsk.
Nogle fejl og ydeevneforringelser, der kan opstå under batteriets's fulde livscyklus, vil medføre, at batterierne bliver brugt ud over det sikre brugsområde og forårsage nogle sikkerhedsulykker.
Batterifabrik og OEM arbejder sammen
De interne og eksterne årsager til termisk løbsk kræver samarbejde mellem batteriproducenter og OEM'er for at levere en samlet løsning, herunder positive og negative materialer, separatorer, elektrolyt, batteristyring og PACK-strukturdesign.
For batterifabrikker skal du kigge efter højtryks- og højtemperaturbestandige flammehæmmende elektrolytter, højtemperaturbestandige enkeltkrystalkatodematerialer, anodematerialer, der hæmmer lithiumdendritter, eller brug NMC811-katoder belagt med safeners for at forbedre tørheden. Anvendelsen af den franske membran introducerer en keramisk membran til at undertrykke termisk løbsk på celleniveau.
For OEM'er er det langt fra nok at være opmærksom på selve batteriets sikkerhed. Ud over selve batteriets problemer er batterielektrisk tilslutning, mekanisk sikkerhed, ladeforbindelse, daglige brugsproblemer og hurtig håndtering af problemer kernen i elektriske køretøjers sikkerhed.
OEM's strømbatterisikkerhedssystem er designet og verificeret ud fra fire aspekter: monomer, modul, BMS og system. På den ene side sørger batteriproducenterne selv for sikkerheden fra design- og fremstillingsforbindelserne. På den anden side overvejer OEM'er mekanisk, elektrisk og termisk sikkerhed ud fra modulsikkerhedsperspektivet, såsom sikkerhedsafstand, kraftdesign og beskyttelse.
Med hensyn til monteringsstruktur skal OEM'er overveje forskellige driftsforhold for køretøjet, såvel som kølerørledninger, nye køleteknologier, tidlig advarsel om termisk løb og ikke-spredning. Samtidig skal de overveje aktiv brandslukning, og hvordan man slukker brande gennem udvendige konstruktioner.
OEM'er tænker generelt på, hvordan man kan forbedre designet af batteripakkens sikkerhed fra systemniveau. Uanset om det er positive og negative elektrodematerialer, elektrolytter, membraner, det strukturelle design, afkøling, termisk styring og forsigtighedsadvarsler af PACK efter gruppen er alle objekterne for OEM-analyse.
Lithium-batteriers sikkerhed er et stort emne, som involverer alle aspekter fra materialer, produktion til applikationer. At sikre den termiske sikkerhed for elektriske køretøjer kræver samarbejde mellem OEM'er, batterifabrikker og testinstitutioner for at analysere mekanismen for termisk løbsk og udforske nye teknologier for at forsinke forekomsten af termisk løbsk.
Forskellige lyde af solid-state batterier
Den fremadgående bevægelse af elektriske køretøjer indikerer, at den specifikke energistandard for strømbatterier ikke vil gå baglæns. Anvendelsen af højpotentiale positive og negative materialer er blevet en trend, og NCM811 og silicium carbon anoder dukker i stigende grad op på de tekniske ruter på batterifabrikker. Men risikoen for brand truer stadig anvendelsen af høj-nikkel-batterier. Derfor har batteriproducenter og OEM'er vendt deres opmærksomhed mod flammehæmmende, højtryksbestandige faststofelektrolytter i håb om at løse problemet med balancen mellem specifik energi og sikkerhed.
Men på denne Kina-Japan-Korea-konference er de kinesiske og japanske gæsters synspunkter om forskning og anvendelse af solid-state-batterier meget forskellige, hvilket udfordrer industriens's iboende syn på solid-state-batterier . I forhold til den samordnede indsats fra webstedet med høj-nikkel-sikkerhedsløsninger, bevæger solid-state batteristedet sig fremad i forskelle.
Japans 30-årige solid-state batteri ekspert Dr. Tadahiko Kubota, Japans tidligere Toyota og Honda batterikerne ekspert Ogi Eiki, kommenterer den nuværende tilstand af solid state batteri forskning kan beskrives som"pessimistisk" ;. Det er ret svært for solid-state-batterier at blive anvendt på elektriske køretøjer. På den anden side arbejder indenlandske batterifabrikker som Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, det kinesiske videnskabsakademi, Tongji University og Shanghai Jiaotong University alle utrætteligt på solid-state batterier.
Japanske eksperters udtalelser kan opsummeres som følger: Toyota Sulfide er stadig i forsknings- og udviklingsstadiet, og masseproduktion er umulig med det nuværende teknologiniveau. Dens oprindelige hensigt med at udvikle solid-state batterier var at reducere batterier til hybridbiler. Omverdenen tror fejlagtigt, at solid-state batterier bruges i elektriske køretøjer. Dette er forskellen mellem Toyota's interne tænkning og den eksterne offentlige mening.
Sikkerhedsmæssigt kan solid-state batterier også producere lithium dendritter, og sikkerheden er meget bekymrende. Og at bedømme dens sikkerhed kan ikke bedømmes ud fra, om elektrolytten er brandfarlig. Det vigtigste problem er den direkte kontakt mellem den positive elektrode og den negative elektrode med høj energitæthed.
All-solid-state batterier kan øge energitætheden, en af grundene er, at eksterne materialer kan reduceres. Men dette er ikke kun en karakteristisk egenskab ved hel-solid-state batterier.
Med hensyn til hurtig opladning har Toyota's papir og de fleste forskere ikke bekræftet beviser for, at alle solid-state batterier kan hurtigt oplades. De sagde alle, at lithiumdendritter dannes under opladning. Jo flere der forstår hel-solid-state batterier, jo mere benægter de, at de kan oplades hurtigt.
De fleste af Toyota's patenter i det seneste årti er relateret til impedans. Den har studeret dette problem siden ti år siden, og det er stadig et stort problem.
Udsigter fra indenlandske batterifabrikker: Spredningen af rigtige brande er direkte relateret til organiske flydende elektrolytter. Faste elektrolytter lige fra polymerer til keramiske elektrolytter kan forbedre batterisikkerheden i varierende grad. Med hensyn til sikkerhed og energitæthed er solid-state-batterier blevet forbedret sammenlignet med traditionelle traditionelle lithium-ion-batterier tidligere. Forudsætningen er, at vi skal have god teknologi til at løse problemet med grænsefladen og sikre, at den faste elektrolyt kan tilpasse sig batteridesignet og opfylde kravene til energibatterier med højt forhold.
Vi mener, at solid-state batterier har fordele i nogle aspekter. Når membranen og elektrolytten udskiftes med faste stoffer, vil det have højere sikkerhed. Når sikkerhedstærsklen for hele systemet øges, kan dette system bruge højpotentiale positive og negative materialer, såsom lithiummetal negative elektroder, og vil have en højere energitæthed i fremtiden.
Den nuværende tankegang er at være kompatibel med eksisterende lithiumbatteriudstyr og lithiumbatteriteknologi så meget som muligt, og at reducere omkostningerne så meget som muligt. Fordi solid state-batterier har høj energitæthed og høj sikkerhed, kan de bruges først i nogle specielle situationer.
Energitæthedsfordelen ved solid state-batterier er relativt ikke indlysende på celleniveau og er mere fremtrædende på PACK-niveau. I 2021 vil solid-state-batterier bruge aktive materialer med højere udnyttelsesgrader, og energitætheden på celleniveau vil være den samme som for flydende batterier og derefter gradvist overgå den.
Selvom indenlandske og oversøiske eksperter har uenigheder om energitætheden og sikkerheden af solid state-batterier, mener de grundlæggende, at den kommercielle anvendelse af solid state-batterier er en lang proces for at løse nogle af manglerne ved flydende batterier. Derfor kan solid-state-batterier importeres fra motorcykel- og forbrugerelektronikområdet først og derefter komme ind i det elektriske køretøjsfelt, når de tre dimensioner af sikkerhed, ydeevne og omkostninger er modne.
