تجزیه و تحلیل و روش های کنترل مکانیزم فرار حرارتی در باتری لیتیومی

1. مکانیسم فرآیند فرار حرارتی در باتری های لیتیوم یون

باتری های لیتیومی با قرار دادن یون های لیتیوم در کربن (کک نفتی و گرافیت) برای تشکیل یک الکترود منفی تشکیل می شوند. LixCoO2 معمولاً به عنوان ماده الکترود مثبت استفاده می شود، در حالی که LixNiO2 و LixMnO4 نیز استفاده می شود. LiPF{3}}دی اتیلن کربنات (EC) + دی متیل کربنات (DMC) به عنوان الکترولیت استفاده می شود. عوامل محرک اصلی برای فرار حرارتی عبارتند از آسیب مکانیکی، شارژ بیش از حد، اتصال کوتاه داخلی و غیره. تحت تأثیر عوامل مختلف، مواد فعال داخل باتری‌های لیتیوم یونی تحت واکنش‌های گرمازا شدید قرار می‌گیرند و دمای داخلی باتری از محدوده قابل کنترل فراتر می‌رود. ، در نهایت منجر به فرار حرارتی می شود. واکنش های شیمیایی گرمازا در داخل باتری لیتیوم یونی شامل تجزیه ماسک صورت رابط الکترولیت جامد SEI، واکنش بین ماده فعال منفی و الکترولیت، واکنش بین ماده فعال منفی و بایندر، و واکنش تجزیه اکسیداسیون است. از الکترولیت

در طول فرآیند شارژ و دشارژ باتری‌های لیتیوم یونی، کربنات وینیل روی رابط فاز جامد ماده فعال الکترود با لیتیوم الکترود منفی واکنش داده و لایه‌ای از فیلم SEI را بر روی سطح چسبندگی گرافیت تشکیل می‌دهد. این غشاء می تواند به طور مستقیم واکنش بین الکترولیت و مواد فعال در دو طرف الکترود را کاهش داده یا حتی از آن جلوگیری کند و سرعت گرمازایی آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و پایداری مواد الکترود مثبت و منفی را بهبود بخشد.

با افزایش دما به 90-120 درجه، لایه SEI شروع به تجزیه می‌کند و به دنبال آن یک واکنش گرمازا بین الکترولیت و ماده فعال الکترود منفی رخ می‌دهد. با در نظر گرفتن وینیل کربنات به عنوان مثال، فرآیند واکنش در معادلات (1) و (2) نشان داده شده است:

در طی واکنش گرمازا، دمای داخلی باتری به تدریج افزایش می یابد. بر اساس استفاده از مواد مختلف دیافراگمی، نقطه ذوب آنها نیز متفاوت است. دیافراگم پلی پروپیلن معمولی دارای نقطه ذوب 165 درجه و ماده پلی اتیلن دارای نقطه ذوب 135 درجه است. جداکننده داخلی پس از رسیدن به دمای نقطه ذوب ماده جداکننده، دچار انقباض موضعی می شود که باعث تماس مستقیم مواد الکترود مثبت و منفی داخل باتری می شود و در نتیجه اتصال کوتاه ایجاد می شود و مقدار زیادی گرما تولید می شود. مقدار زیادی گرمای تولید شده توسط اتصال کوتاه باعث می شود دیافراگم به سرعت منقبض شود و واکنش گرمازا را تشدید کند.

در همان زمان، در محدوده دمایی که فیلم SEI تجزیه می‌شود و تحت واکنش‌های گرمازا قرار می‌گیرد، نمک‌های لیتیوم نیز تحت واکنش‌های گرمازا شدید با الکترولیت قرار می‌گیرند. انواع متداول مواد فعال برای باتری های لیتیوم یون عبارتند از هگزافلوئوروفسفات لیتیوم (LiPF6)، لیتیوم تترا فلوئوروبورات (LiBF4) و غیره. هگزافلوئوروفسفات لیتیوم در دماهای بالا تجزیه می شود و PF5 تولید می کند که بیشتر با حلال واکنش می دهد و اتم های اکسیژن CO را جذب می کند. باند می شوند و تحت یک واکنش گرمازا شدید قرار می گیرند تسریع در تجزیه الکترولیت. در همان زمان، واکنش کاهش اکسیداسیون بین لیتیوم هگزافلورو فسفات و حلال نیز گاز بسیار سمی اسید هیدروفلوئوریک (HF) را آزاد می کند. فرآیند واکنش خاص در معادلات (3) تا (5) نشان داده شده است:

در همان محدوده دما، الکترولیت خود تحت یک واکنش تجزیه قرار می گیرد و مقدار کمی گاز قابل احتراق آزاد می کند. هنگام استفاده از کالریمتری سرعت برای تجزیه و تحلیل فرآیند فرار حرارتی، مشخص شد که گازهای تولید شده توسط تجزیه الکترولیت عمدتاً از C2H4، CO و H2 تشکیل شده‌اند. الکترولیت به سرعت تبخیر می شود و فشار داخلی باتری را افزایش می دهد. هنگامی که فشار داخلی به حد مجاز دریچه کاهش فشار می رسد، مقدار زیادی گاز قابل احتراق خارج می شود که گسترش فرار حرارتی را تشدید می کند. گرمای حاصل از احتراق کامل الکترولیت بسیار بیشتر از گرمای آزاد شده از واکنش تجزیه است. با در نظر گرفتن اتیلن کربنات (EC) و کربنات پروپیلن (PC) به عنوان مثال، فرآیندهای واکنش اکسیداسیون الکترولیت (6) ~ (7) و اکسیداسیون ناقص (8) ~ (9) به شرح زیر است:

با افزایش تدریجی دمای داخلی باتری، ماده فعال الکترود مثبت شروع به تجزیه می کند. بر اساس استفاده از مواد فعال مختلف، دمایی که در آن واکنش های گرمازا رخ می دهد نیز متفاوت است. تجزیه ماده فعال الکترود مثبت باعث تولید اکسیژن می شود که سپس در واکنش با ماده فعال داخلی شرکت می کند و مقدار زیادی گاز در داخل باتری تولید می کند. فرآیند واکنش به شرح زیر است:

هنگامی که دما از 136 درجه بیشتر شود، پلی وینیلیدین فلوراید بایندر (PVDF) با لیتیوم واکنش داده و گاز هیدروژن تولید می کند. فرآیند واکنش به شرح زیر است:

به جز فیلم SEI ذوب و جذب گرما، واکنش های شیمیایی فوق همه واکنش های گرمازا هستند. انتشار گرمای تجزیه الکترولیت، جداکننده، مواد فعال باتری و چسب به ترتیب 43.5، 30.3، 20.1 درصد و 6.2 درصد از کل گرمای آزاد شده را تشکیل می دهند. واکنش بین مواد فعال مثبت و منفی باتری و الکترولیت بزرگترین منبع گرما است.

2. عوامل القای فرار حرارتی در باتری های لیتیوم یون

عوامل محرک فرار حرارتی در باتری های لیتیوم یونی را می توان به سه دسته طبقه بندی کرد: سوء استفاده مکانیکی (پنچری سوزن، تغییر شکل فشاری، برخورد خارجی)، سوء استفاده الکتریکی (شارژ و تخلیه بیش از حد، اتصال کوتاه) و سوء استفاده حرارتی (سیستم مدیریت حرارتی). شکست). سوء استفاده مکانیکی می تواند به راحتی باعث اتصال کوتاه داخلی در باتری های لیتیومی شود که منجر به فرار حرارتی می شود. در سوء استفاده از برق، شارژ و تخلیه بیش از حد باتری ها می تواند باعث واکنش های جانبی داخلی شود که منجر به گرم شدن موضعی سلول های باتری و ایجاد فرار حرارتی می شود. اتصال کوتاه خارجی حالت خطرناک تخلیه سریع باتری ها است که در آن جریان های بسیار زیاد باعث گرم شدن سریع و حتی فیوز شدن پایانه های باتری می شود. در حالت سوء استفاده حرارتی، خرابی سیستم مدیریت حرارتی اغلب باعث انقباض و تجزیه دیافراگم داخلی می شود که در نهایت منجر به اتصال کوتاه داخلی و فرار حرارتی می شود.

علاوه بر این، وضعیت خود باتری نیز یکی از عوامل مهم فرار حرارتی است. با افزایش چرخه شارژ و دشارژ باتری و القای ناخالصی های مخلوط شده در طی تولید دندریت، واکنش های جانبی نامطلوبی مانند دندریت های فلزی ایجاد می شود که به راحتی جداکننده را سوراخ کرده و باعث ایجاد اتصال کوتاه موضعی در باتری می شود.

2.1 تحقیق در مورد فرار حرارتی باتری ناشی از سوء استفاده حرارتی

با توجه به مدل فرار گرمای اضافه شارژ جفت حرارتی الکتروشیمیایی باتری‌های لیتیوم یونی که در ادبیات ایجاد شده است، باتری‌های لیتیوم یون معمولاً زمانی که دما به 80 درجه می‌رسد شروع به گرم شدن خود می‌کنند. هنگامی که گرمای باتری سرریز می‌شود و نمی‌توان به طور موثر آزاد کرد، مدیریت حرارتی باتری منجر به افزایش غیرقابل کنترل دمای باتری می‌شود که از سلول‌های محلی به بسته باتری قدرت پخش می‌شود و باعث یک سری واکنش‌های جانبی و فرار حرارتی می‌شود.

سوء استفاده حرارتی خود به خود در داخل باتری رخ نمی دهد. اغلب، به دلیل سوء استفاده مکانیکی یا دلایل دیگر، دمای داخلی باتری تا حدی افزایش می‌یابد، و نواحی محلی باتری گرم می‌شوند، که منجر به سوء استفاده حرارتی می‌شود و بیشتر باعث کنترل دما و خودسوزی باتری می‌شود.

در همان زمان، فرار حرارتی نیز به عنوان یک روش تحقیق برای آزمایش فرآیندهای فرار باتری تجربی و تشخیص ویژگی‌های ایمنی در طول فرار حرارتی باتری استفاده شده است. در سال 1999، KITOH و همکاران. تحقیقاتی را در مورد نظارت بر ویژگی‌های ایمنی فرار حرارتی باتری‌های با انرژی ویژه بالا بر اساس روش‌های گرمایش خارجی انجام داد. از آن زمان، روش انرژی آدیاباتیک به طور گسترده ای برای آزمایش آستانه دمای فرار حرارتی باتری های لیتیوم یون استفاده شده است. تحقیقات فعلی در مورد سوء استفاده حرارتی عمدتا بر اساس اشتعال تابش خارجی باتری ها است. لیو منگمنگ یک مدل تولید گرمای گذرا درون زا چندگانه و یک مدل جفت حرارتی الکتروشیمیایی ایجاد کرد. بر اساس روش گرمایش تابشی، ویژگی‌های ایمنی باتری‌ها پس از خوداشتعالی ناشی از سوء استفاده حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. مشخص شد که احتراق باتری را می توان به سه مرحله تقسیم کرد، یعنی احتراق تزریقی، احتراق پایدار و احتراق تزریق ثانویه. LI و همکاران اثر جریان تخلیه بر دما در پس زمینه فرار حرارتی ناشی از سوء استفاده حرارتی مورد مطالعه قرار گرفت. مشخص شد که وقتی جریان تخلیه ثابت است، افت کیفیت، پارامترهای مشخصه ایمنی، دمای شروع فرار حرارتی و دمای اوج در طول فرآیند فرار حرارتی همه به ظرفیت باتری بستگی دارد.

2.2 تحقیق در مورد فرار حرارتی باتری ناشی از سوء استفاده الکتریکی

علل رایج فرار حرارتی باتری عبارتند از شارژ و دشارژ بیش از حد، اتصال کوتاه داخلی، اتصال کوتاه خارجی و غیره.

(1) شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد

در طول تکمیل چرخه تخلیه شارژ در یک باتری لیتیوم یونی، سیستم مدیریت باتری BMS به طور معمول جریان شارژ را بر اساس وضعیت شارژ مسدود می کند. هنگامی که سیستم BMS از کار می افتد، شارژ بیش از حد باتری به راحتی می تواند باعث بروز حوادث جدی خود اشتعال شود. پس از رسیدن به آستانه SOC در هنگام شارژ، فلز لیتیوم به سطح ماده فعال الکترود منفی می‌چسبد و لیتیوم متصل با الکترولیت در دمای مشخصی واکنش داده و مقدار زیادی گاز با دمای بالا آزاد می‌کند. در همان زمان، ماده فعال الکترود مثبت به دلیل حذف بیش از حد لیتیوم و اختلاف پتانسیل زیاد با الکترود منفی شروع به ذوب شدن می کند. هنگامی که پتانسیل الکترود مثبت از ولتاژ مطمئن الکترولیت فراتر رفت، الکترولیت نیز با ماده فعال الکترود مثبت واکنش اکسیداسیون انجام می دهد. در طول فرآیند شارژ بیش از حد، یک سری واکنش های جانبی مانند گرمایش اهمی و سرریز گاز ممکن است رخ دهد که وقوع فرار حرارتی را تشدید می کند.

گاز آزاد شده در هنگام شارژ بیش از حد باتری های لیتیوم یون عمدتاً از CO2، CO، H2، CH4، C2H6 و C2H4 تشکیل شده است و حجم گاز و حرارت با افزایش جریان شارژ افزایش می یابد. با استفاده از یک کالری‌سنج تسریع‌شده و یک تحلیل‌گر چرخه باتری برای تجزیه و تحلیل مشترک، آزمایش نشان می‌دهد که خطر شارژ بیش از حد بر اساس ولتاژ ثابت جریان ثابت بسیار بیشتر از شارژ بیش از حد مستقیم با جریان ثابت است. بر اساس عملکرد اضافه شارژ الکترود مثبت مرکب و الکترود منفی گرافیت در محیط‌های آزمایشی مختلف، رن و همکاران. به طور جامع اثرات جریان شارژ، مواد جداکننده و سیستم اتلاف گرما را در نظر گرفته است. این مطالعه نشان داد که مقدار گرمای آزاد شده در هنگام شارژ بیش از حد باتری‌های NCM ارتباط نزدیکی با میزان جریان شارژ ندارد. نقطه ذوب مواد جداکننده مختلف و تغییر شکل و متورم شدن باتری از عوامل اصلی فرار حرارتی باتری‌های لیتیوم یونی هستند. وانگ و همکاران مسیر انتشار حرارتی و مسیر سرریز گاز با دمای بالا باتری‌های لیتیومی شارژ شده را تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که گرمای تولید شده توسط واکنش بین رسوب لیتیوم و الکترولیت در طول شارژ بیش از حد باتری بیش از 43 درصد است. ژانگ و همکاران مکانیسم تخریب ظرفیت بسته باتری را بر اساس ولتاژ دیفرانسیل ظرفیت افزایشی مطالعه کرد و دریافت که یک بار اضافه شارژ تأثیر کمی بر ظرفیت باتری دارد، اما پس از شارژ بیش از حد تا زمانی که ماده فعال الکترود مثبت جدا شود، به طور جدی بر پایداری حرارتی بسته باتری تأثیر می گذارد.

آسیب ناشی از ترشح بیش از حد بسیار کمتر است. تخلیه بیش از حد زودهنگام باعث فرار حرارتی باتری دشوار است، اما می تواند ظرفیت باتری را تحت تاثیر قرار دهد. ژو پینگ و همکاران ویژگی‌های تخلیه باتری‌های لیتیوم سه‌گانه نیکل کبالت منگنز NCM را پس از تخلیه بیش از حد مورد مطالعه قرار داد. در طول فرآیند تخلیه استاتیک، درجه اتصال کوتاه در داخل باتری لیتیومی NCM کاهش می یابد، مقاومت افزایش می یابد و جریان تخلیه کاهش می یابد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که هر چه عمق تخلیه بیشتر باشد، میزان تضعیف سلول‌های جداگانه در بسته باتری بیشتر می‌شود. ما و همکاران در آزمایش تخلیه بیش از حد باتری های لیتیومی مشاهده شد که تخلیه بیش از حد ساختار مواد فعال باتری را تغییر نمی دهد، اما می تواند باعث انحلال جمع کننده جریان الکترود منفی، افزایش ضخامت لایه SEI و تسریع پیر شدن باتری شود. ویژگی های رفتار باتری لیتیوم یونی بیش از فرآیند تخلیه در شکل نشان داده شده است.

(2) اتصال کوتاه خارجی

اتصال کوتاه خارجی نیز یکی از دلایل مهم فرار حرارتی در باتری های برق است. چن و همکاران یک مدل کوپلینگ حرارتی الکتریکی جدید بر اساس ترکیبی از مدل‌های تولید، توزیع و انتشار گرما ایجاد کرد. تحقیقات نشان داده است که حداکثر دمای باتری‌های لیتیوم یونی در شرایط اتصال کوتاه خارجی در لبه گوش الکترود وجود دارد. ما تایشیائو و همکاران دریافت که در حالت اتصال کوتاه خارجی باتری های قدرت، گرمای تولید شده توسط واکنش های جانبی بسیار کمتر از گرمای تولید شده توسط الکتروشیمی است، و گرمای تولید شده توسط الکتروشیمی با SOC اولیه همبستگی مثبت دارد، اما با پیک دما همبستگی منفی دارد. استرس حرارتی

(3) اتصال کوتاه داخلی

اتصال کوتاه داخلی که در داخل باتری رخ می‌دهد و تشخیص آن توسط سیستم BMS مشکل است، عامل اصلی فرار حرارتی در باتری‌های لیتیوم یونی است. هنگامی که باتری بیش از حد شارژ یا دشارژ می شود، دندریت های لیتیوم به تدریج رشد می کنند تا به لایه SEI نفوذ کنند، که باعث اتصال کوتاه داخلی می شود و به سرعت منجر به افزایش غیرقابل کنترل دما و فرار حرارتی می شود. علاوه بر این، آسیب شبکه یا بریدگی کلکتور جریان ناشی از فرآیندهای تولید خشن باتری ها نیز ممکن است منجر به اتصال کوتاه داخلی شود.

2.3 تحقیق در مورد فرار حرارتی باتری ناشی از سوء استفاده مکانیکی

در استفاده از باتری های برق خودرو، خرابی های مکانیکی به طور اجتناب ناپذیری ناشی از تصادفات است. اگر بسته باتری توسط نیروهای خارجی مانند سوراخ شدن و فشرده سازی تغییر شکل دهد، می تواند باعث تغییرات ساختاری داخلی و حتی منجر به فرار حرارتی به دلیل تماس مستقیم بین قطب مثبت و منفی تحت فشار شدید شود. بنابراین، لازم است تحقیقاتی در مورد فرار حرارتی باتری ناشی از سوء استفاده مکانیکی انجام شود که در این میان، فن ونجی و ژو هویونگ تحقیقاتی را در مورد فرار حرارتی ناشی از سوء استفاده مکانیکی بر اساس مدل‌سازی المان محدود و تحلیل نظارت عددی انجام داده‌اند.

وانگ و همکاران مطالعه ای بر روی تغییرات مقطعی بسته باتری پس از برخورد بر اساس باتری های لیتیوم یون بسته نرم انجام داد. آزمایش سوراخ‌سازی نشان داد که تعداد زیادی تغییر شکل موضعی و لایه‌های شکست برشی در داخل بسته باتری در طی فرآیند سوراخ‌سازی ظاهر می‌شوند و پارگی کلکتور جریان و ماده فعال الکترود مثبت و همچنین بازآرایی ساختار داخلی باتری ظاهر می‌شود. بسته، ناشی از سوراخ شدن جداکننده، دلایل اساسی برای فرار حرارتی اتصال کوتاه در داخل باتری بود. بره و همکاران وضعیت تغییر شکل 18650 باتری لیتیوم یون استوانه ای را تحت شرایط سوراخ بر اساس فناوری توموگرافی کامپیوتری مورد مطالعه قرار داد. این آزمایش نشان داد که پدیده نفوذ بین الکترودهای مثبت و منفی، وقوع اتصال کوتاه داخلی را تشدید می کند. در طول اتصال کوتاه، فویل آلومینیومی متصل شده ذوب می‌شود و تعداد زیادی دانه‌های فلزی در محل شکاف ایجاد می‌شود. لی و همکاران مدل های تحلیل المان محدود را برای حالت های مختلف سوء استفاده مکانیکی بر اساس سوراخ، فشرده سازی و غیره ایجاد کرد و یک الگوریتم یادگیری برای پیش بینی فرآیند فرار حرارتی باتری ها با استفاده از پارامترهای باتری های ضایعاتی ایجاد کرد. تأثیر سوء استفاده مکانیکی بر ایمنی باتری‌های لیتیوم یون بر اساس هشت نوع پارامتر، از جمله نیروی ضربه، زاویه برخورد و محدوده تغییر شکل، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت که پیچیدگی محاسباتی را به طور قابل‌توجهی کاهش داد.

سوء استفاده مکانیکی که در کاربردهای عملی رخ می دهد پیچیده تر از آزمایش های منفرد مانند سوراخ کردن و فشرده سازی است. تنها با تکیه بر شبیه سازی تجربی نمی توان ویژگی های ایمنی سوء استفاده مکانیکی باتری را عمیقاً مطالعه کرد. راه حل اساسی بهینه سازی موقعیت نصب باتری، تنظیم یک سیستم BMS قابل اعتماد و بهینه سازی طراحی قاب خودرو در حین طراحی بسته باتری قدرت است تا تغییر شکل و فشرده سازی بسته باتری قدرت در صورت برخورد به حداقل برسد. .

3. اقدامات و روش های پیشگیرانه برای فرار حرارتی باتری های لیتیوم یون

با هدف مسدود کردن، به تاخیر انداختن و جلوگیری از فرار حرارتی باتری‌های نیرو، بسیاری از محققان تحقیقاتی را در مورد مدیریت حرارتی بسته باتری، طراحی ساختار بسته باتری با استحکام بالا و جنبه‌های دیگر انجام داده‌اند.

3.1 طراحی ایمنی باتری های فردی

(1) تحقیق در مورد ایمنی طراحی دیافراگم

هسته اصلی بهبود ایمنی دیافراگم در افزایش دمایی است که در آن دیافراگم منقبض و ذوب می شود و توانایی جداسازی آن در دمای بالا را افزایش می دهد. قابلیت جداسازی در دمای بالا دیافراگم تضمین می کند که ریز منافذ آن در یک محیط با دمای بالا مهر و موم شده و جریان یون های لیتیوم را مسدود می کند. مواد دیافراگمی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند عموماً با پوشش های سرامیکی یا سایر مواد با اثرات سلول بسته پوشانده می شوند.

(2) تحقیق در مورد ایمنی مواد الکترود مثبت

رایج‌ترین مواد فعال الکترود مثبت لیتیوم یونی که در بازار باتری‌های قدرت استفاده می‌شوند، به طور کلی LiCoO2، LiFePO4، LiMn2O4، LiNixCoyMnzO2 (NCM) و غیره هستند. استفاده از مواد برای پوشش الکترود مثبت برای مسدود کردن و کاهش واکنش‌های فرعی حرارتی، بهبود چرخه باتری. و پایداری حرارتی، مانند ZrO2 و AlF3. ژانگ و همکاران یک ماده NCM سه لایه بر اساس توزیع گرادیان غلظت اتمی، با Ni به عنوان هسته و منگنز لایه بیرونی ذرات متصل را می‌پوشاند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که می‌تواند دوچرخه‌سواری و پایداری حرارتی خوبی را حتی در شرایط دمای بالا و شارژ بیش‌ازحد حفظ کند.

(3) تحقیق در مورد ایمنی مواد الکترود منفی

بهبود ایمنی الکترود منفی عمدتاً از طریق پوشش مواد یا افزودن مواد افزودنی به الکترولیت برای افزایش پایداری حرارتی فیلم SEI حاصل می‌شود. خو و همکاران آلیاژ مایع GaSnIn را به الکترولیت اضافه کرد تا پایداری حرارتی باتری را بهبود بخشد. این آزمایش نشان می‌دهد که لایه SEI گرادیان تهیه‌شده به میزان زیادی قطبش ولتاژ را کاهش می‌دهد و راندمان کولن را تا 99.06 درصد بهبود می‌بخشد. ژنگ و همکاران یک غشای بسیار نازک نانوالیاف آرامید (ANF) برای سرکوب رشد دندریت لیتیوم تهیه کرد. در آزمایش تجربی، تحت یک محیط با چگالی جریان بالا 50mA/cm2، ظرفیت ANF-Li|باتری کامل LiFePO4 پس از 1200 چرخه به 80.2 درصد کاهش یافت. و برای اولین بار، تحقیقات آن رسوب لیتیوم فیبری را کشف کرد، و غشای ANF که با منافذ نانومقیاس تهیه شده بود، انتشار الکترولیت را افزایش داد، بازده انتقال لیتیوم را تسریع کرد، و معایب دندریت‌های لیتیوم اندازه میکرومتری را که به غشاء نفوذ می‌کردند، از بین برد.

(4) تحقیق در مورد ایمنی الکترولیت ها

اکثر حوادث ناشی از گرما شامل الکترولیت است و بهبود ایمنی الکترولیت برای جلوگیری از فرار حرارتی بسیار مهم است. بازدارنده های شعله، مواد پلیمری جامد یا مایعات یونی اغلب به عنوان افزودنی های ضد اضافه بار به الکترولیت اضافه می شوند. اتیلن کربنات فلوئوردار (FEC) رایج ترین افزودنی الکترولیت است که با تغییر ترکیب فیلم SEI، دارای مزیت بهبود راندمان کولمبی حذف لیتیوم برگشت پذیر در الکترود منفی است. لی و همکاران یک فیلم SEI بین فاز الکترولیت جامد کریستالی و پلیمری دولایه با استفاده از دی فلوئوروبورات لیتیوم (LiDFOB) به عنوان نمک اصلی در یک الکترولیت فسفات مخلوط شده طراحی کرد. آزمایش بازدارنده شعله نشان داد که زمان خود خاموش شدن الکترولیت بازدارنده شعله 6.1 ثانیه و بازده برگشت پذیر لی 98.2٪ بود. پس از 150 چرخه تخلیه شارژ، همچنان 89.7 درصد از ظرفیت باتری را حفظ کرده است.

3.2 حفاظت ایمنی و طراحی بهینه سازی سیستم باتری قدرت

(1) طراحی بهینه سازی ساختار بسته باتری

طراحی ساختار بسته باتری و بهینه سازی موقعیت نصب خودرو برای بهبود ایمنی بسیار مهم است. چن و همکاران یک آزمایش طبقه‌بندی را بر روی تأثیر محدوده فرار حرارتی بر اساس طرح باتری 18650 انجام داد. این آزمایش نشان می‌دهد که زمان اشتعال کوتاه‌تر است و سرعت و دامنه گسترش در مناطقی با مناطق گرمایش بزرگ‌تر است. اما آزمایش آن تنها گرمایش کلی ماژول باتری قدرت را در نظر گرفت و گرمای بیش از حد موضعی ناشی از اتصال کوتاه داخلی را در نظر نگرفت. لیو ژنجون و همکاران طراحی بسته باتری را بر اساس یک مدل اتلاف حرارت سه بعدی بسته باتری قدرت بهینه کرد و شبیه سازی اتلاف گرما را انجام داد. این آزمایش نشان داد که دمای پیک باتری لیتیوم یونی بهینه شده از 46 درجه به 34 درجه کاهش یافت و اختلاف دمای بین سلول های جداگانه در 5 درجه کنترل شد.

(2) طراحی سیستم مدیریت حرارتی باتری

باتری های لیتیوم یون دارای حساسیت حرارتی قوی هستند و بهبود راندمان تخلیه در دمای پایین و ایمنی در دمای بالا هسته اصلی سیستم های مدیریت حرارتی باتری است. روش های خنک کننده برای بسته های باتری شامل خنک کننده مایع و خنک کننده هوا است. وسایل نقلیه الکتریکی تسلا همگی از فناوری خنک کننده مایع استفاده می کنند، در حالی که اتوبوس های برقی معمولاً از خنک کننده هوا استفاده می کنند. در سال‌های اخیر، مانند آئروژل‌ها، مواد تغییر فاز و مواد هیبریدی در سیستم‌های مدیریت حرارتی باتری‌ها به دلیل راندمان جذب حرارت عالی استفاده شده‌اند. وو و همکاران یک ماده انعطاف پذیر برای سیستم مدیریت حرارتی باتری مبتنی بر هیدروژل توسعه داده اند. از مواد پلی اکریلات سدیم کم هزینه استفاده می شود. انعطاف پذیری بسیار قوی آن را می توان به اشکال مختلف درآورد و در بسته باتری انباشته کرد، که از نظر اقتصادی می تواند اثر اتلاف گرما خنک کننده سنتی هوا و خنک کننده مایع را درک کند.

(3) طراحی خنک کننده، خاموش کننده، مسدود کردن، و هدایت گاز برای فرار حرارتی باتری

هنگامی که فرار حرارتی باتری اجتناب ناپذیر است، به ویژه مهم است که فوراً پخش گرما را مسدود و خنک کنید و گازهای با دمای بالا را هدایت کنید تا از تأثیرگذاری بر باتری های نصب شده در نزدیکی جلوگیری شود.

راه‌های اصلی برای جلوگیری از انتشار فرار حرارتی عبارتند از: پر کردن با محیط‌های مقاوم در برابر شعله، استفاده از مواد عایق برای جداسازی باتری‌های فرار حرارتی، یا هدایت شعله‌ها و گازهای با دمای بالا به خارج از بسته باتری از طریق مسیرها. خو و همکاران یک لوله اتلاف حرارت گاز با دمای بالا با شکل مقطع مستطیلی که در امتداد باتری چیده شده است همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. بسته های باتری لی هائولیانگ و همکاران طراحی یک سیستم مسدود کننده گسترش حرارتی و سیستم کنترل یکپارچه بر اساس گازهای بی اثر و مبردهای مخلوط. بر اساس نمودار پراکندگی گرما و شتاب گرمایش، یک آستانه برای سیستم مسدود کننده تعیین می شود. این آزمایش نشان می‌دهد که می‌تواند به طور موثری از انتشار گرما در زمانی که بسته باتری به صورت موضعی بیش از حد گرم می‌شود، جلوگیری کند.

4. نتیجه گیری

این مقاله مقالات مربوط به مکانیسم تحریک، علل و مدیریت نظارت بر ایمنی فرار حرارتی در باتری‌های لیتیوم یون را خلاصه می‌کند.

(1) در تحقیق مکانیسم فرار حرارتی، پایداری حرارتی و قانون انتشار گرما اجزای اصلی باتری‌های لیتیوم یونی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و اصول فرآیندهای انتشار گرمای واکنش مانند تجزیه الکترولیت، جداکننده، مواد فعال باتری، و چسب عمدتا توضیح داده شد.

(2) در تحقیق بر روی عوامل محرک گریز حرارتی، ویژگی ها و دلایل شرایط مختلف محرک طبقه بندی و خلاصه شد، یعنی سوء استفاده مکانیکی، سوء استفاده الکتریکی و فرار حرارتی باتری ناشی از سوء استفاده حرارتی.

(3) از نظر جلوگیری و نظارت بر فرار حرارتی، این مقاله به تحقیق برای بهبود ایمنی فرار حرارتی باتری لیتیوم یون قدرت از سه جنبه می پردازد: طراحی بهینه سازی سلول های باتری لیتیوم یون، بهینه سازی سیستم های باتری قدرت، و سیستم های هشدار مدیریت حرارتی و نظارت بر باتری

اگرچه پیشرفت قابل توجهی در مطالعه فرار حرارتی در باتری‌های لیتیوم یونی حاصل شده است، اما هنوز در برخی زمینه‌های تحقیقاتی شکاف‌هایی وجود دارد. تحقیق در مورد تأثیر پیری بر ایمنی ناشی از برهم نهی زمان چرخه در باتری‌های لیتیوم یونی تنها در سال‌های اخیر آغاز شده است، به‌ویژه مطالعه تجربی مسیر پیری و مکانیسم روی پایداری حرارتی هنوز نسبتاً کمیاب است. در عین حال، تنها چند مطالعه تجربی در مورد پیش‌بینی و مدل‌سازی انتشار شعله پس از وقوع فرار حرارتی وجود دارد، و هنوز تحلیل شبیه‌سازی عددی انتشار شعله وجود ندارد. مشاهده می شود که مدیریت ایمنی فرار حرارتی در باتری های قدرت لیتیوم یون هنوز در مرحله توسعه است، به ویژه در جهت هشدار و مسدود کردن، که نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.