تجزیه و تحلیل استراتژی چند بعدی برای بهبود ایمنی باتری های لیتیوم یون

موارد کاربرد و ایمنی باتری های لیتیوم یون:باتری های لیتیوم یونی به دلیل چگالی انرژی بالا، توان خروجی بالا و ولتاژ متوسط ​​خروجی بالا به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، حوادث ناشی از خرابی باتری هر سال رخ می دهد و تعداد کمی از مردم به طور فعال خطرات ایمنی را درک می کنند. بنابراین، شناسایی و کاهش خطرات ایمنی باتری های لیتیومی بسیار مهم است.

محتوای اصلی مقاله:در ابتدا، پدیده فرار حرارتی مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و سیستم های نظارتی مختلف مورد بحث قرار می گیرد. سپس، استفاده از سنسورهای گریتینگ فیبر براگ (FBG) در تشخیص بی‌درنگ داده‌های باتری مورد تاکید قرار می‌گیرد. در نهایت، روش‌هایی برای کاهش مسائل ایمنی در باتری‌های لیتیومی خلاصه می‌شود، از جمله استفاده از پوشش‌های سطح الکترود، الکترولیت‌ها، جداکننده‌ها و سرکوب رشد دندریت لیتیوم. این مطالب دارای ارزش مرجع برای تحقیقات آینده در مورد ایمنی باتری لیتیوم هستند.

1. مقدمه

موارد کاربرد و ایمنی باتری های لیتیوم یون برجسته شده است:توسعه انرژی های تجدیدپذیر یک روند روزگار است و باتری ها در زندگی روزمره همه جا حاضر هستند. باتری های لیتیوم یونی به طور گسترده استفاده می شوند و برای توسعه میدان های انرژی جدید بسیار مهم هستند. با این حال، در سال های اخیر، مشکل گرمای بیش از حد آنها بر توسعه وسایل نقلیه الکتریکی تأثیر گذاشته است و ایمنی باتری ها نگران کننده بوده است.

جهت تحقیق و هدف مقاله:دانشمندان از فناوری های مختلفی برای بهبود ایمنی باتری های لیتیوم یونی استفاده می کنند. در حال حاضر، تحقیقات نظارت بر ایمنی در مورد روش‌های پیش‌بینی فرار حرارتی باتری و روش‌های هشدار یک جهت محبوب است. هدف این مقاله خلاصه کردن روش‌های پیشرفته مرتبط و معرفی آخرین پیشرفت‌های پژوهشی است.

2. روش های فعلی برای بهبود عوامل ایمنی

علت تصادف ایمنی:هنگامی که باتری های لیتیومی به طور نامناسب استفاده می شوند (مانند شارژ بیش از حد، گرم شدن بیش از حد، ضربه، اتصال کوتاه)، دما به طور غیر طبیعی افزایش می یابد و باعث واکنش های شیمیایی داخلی و تولید گاز و دود می شود. شیر اطمینان باز می شود و گرما باعث افزایش بیشتر دما می شود که ممکن است منجر به احتراق یا انفجار شود.

راه های افزایش ایمنی:عمدتاً شامل نظارت و اجتناب از حوادث ایمنی، ارتقاء ساختار باتری یا جایگزینی قطعات مشکل ساز است.

روش های خاص برای بهبود ایمنی باتری های لیتیوم یون

جلوگیری از فرار حرارتی

اصل فرار حرارتی:واکنش گرمازا مواد داخل باتری باعث می شود باتری به سرعت گرم شود و انرژی شیمیایی آزاد شود. عوامل متعددی می توانند باعث گرمای بیش از حد شوند، مانند تغییر شکل ساختاری، اتصال کوتاه، شارژ بیش از حد، پیری قطعات، خرابی سیستم خنک کننده و غیره. چگالی انرژی بالای باتری ها و استفاده از الکترولیت های قابل اشتعال خطر فرار حرارتی را افزایش می دهد.

سیستم خنک کننده:دانشمندان سیستم های مدیریت حرارتی باتری (BTMS)، از جمله سیستم های خنک کننده هوا و خنک کننده مایع را توسعه داده اند، اما هر دو دارای اشکالاتی هستند. سیستم خنک کننده هیبریدی مزایای هر دو را ترکیب می کند و می تواند اتلاف گرمای باتری را بهتر تنظیم و مدیریت کند و انتخاب خاص باید با توجه به شرایط تعیین شود.

سنسور فیبر براگ گریتینگ (FBG)

اصل نظارت:با نظارت بر علائم متعدد باتری در زمان واقعی، از خطرات ایمنی جلوگیری کنید. روش‌های مدرن اغلب به‌طور غیرمستقیم وضعیت باتری را با نظارت بر جریان گرما یا تشخیص ترک‌خوردگی الکترود منعکس می‌کنند، در حالی که حسگرهای FBG می‌توانند به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم دما و پاسخ کرنش را در داخل و خارج باتری اندازه‌گیری کنند و تجزیه الکترولیت را از طریق برهم‌کنش بین نوری که توسط فیبرهای نوری منتقل می‌شود، مطالعه کنند. محیط شیمیایی اطراف

مزایا:سنسورهای FBG دارای ویژگی های کم تهاجمی، ضد تداخل الکترومغناطیسی و عایق هستند. آنها هنوز هم می توانند داده ها را در دمای بالا و فشار بالا به دقت ارائه دهند. هنگامی که نشانگرها به مقدار بحرانی رسیدند، عملکرد باتری را می توان به موقع تنظیم یا خاتمه داد و ایمنی استفاده از باتری را بهبود بخشید.

بهبود جداکننده باتری برای تثبیت باتری

نقش و چالش های طراحی جداکننده:جداکننده یک مانع فیزیکی در باتری است که از تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی جلوگیری می کند و الکترولیت ها را برای ترویج حرکت یون در خود جای می دهد. این طرح باید دوام مکانیکی و تخلخل یا عملکرد حمل و نقل را متعادل کند و استفاده از آن در سیستم‌های باتری در مقیاس بزرگ را به چالشی تبدیل کند.

روش بهبود:تحقیقات فعلی عمدتاً بر بهبود غشاهای پلی اولفین تجاری (PP) مانند پوشش یا پیوند ترکیبات آلی/غیر آلی و درمان سطح با ترکیبات مقاوم در برابر حرارت متمرکز است. فناوری الکتروریسی همچنین می تواند برای تولید غشاهای نانوالیافی استفاده شود که می تواند پایداری حرارتی را افزایش دهد. افزودن مواد آبدوست می تواند عملکرد را بهبود بخشد و از رشد دندریت لیتیوم جلوگیری کند.

الکترولیت پلیمری غیر قابل احتراق

مشکلات الکترولیت سنتی و جهت بهبود:الکترولیت‌های سنتی ممکن است تحت شرایط شدید فرار حرارتی را تجربه کنند که منجر به اکسیداسیون، اختلاط مواد الکترود و حتی انفجار شود. بهبود مستلزم توجه همه جانبه به خواص فیزیکی و شیمیایی و پایداری الکترولیت ها و الکترودها است. الکترولیت های پلیمری جامد (SPEs) روند آینده بدون نشتی، استحکام مکانیکی بالا و پایداری هستند که می تواند تغییر حجم مواد الکترود را کاهش دهد.

ویژگی ها و بازدارنده های شعله SPE ها:SPE های مختلف دارای مزایای متفاوتی هستند، مانند رسانایی بالا و اندازه قابل تنظیم SPE های پلی اتیلن اکسید. پلی سیلوکسان SPE پایداری حرارتی خوبی دارند و غیر قابل اشتعال هستند. اکثر SPE ها به افزودن بازدارنده های شعله نیاز دارند و بازدارنده های شعله معدنی ایمن تر و ارزان تر هستند که می تواند عملکرد SPE ها را بهبود بخشد و رشد دندریت لیتیوم را مهار کند. با این حال، تحقیقات SPEs نسبتاً جدید است و کاربردهای آنها محدود است و الکترولیت های تجاری را نمی توان جایگزین کرد.

مهار رشد دندریت لیتیوم

تشکیل و خطرات دندریت های لیتیوم:دندریت های لیتیوم در اثر رسوب ناهموار یون های لیتیوم در طول مهاجرت الکترودهای مثبت و منفی ایجاد می شوند که می تواند منجر به انبساط الکترود، کاهش راندمان کولمبیک، کاهش ظرفیت باتری و بدتر شدن عملکرد ایمنی شود و در نهایت منجر به از کار افتادن باتری شود.

روش بازداری:مهار از دو جهت: الکترولیت و الکترود منفی فلز لیتیوم. افزودن مواد افزودنی به الکترولیت ها می تواند عملکرد لایه رابط الکترولیت جامد (SEI) مانند پلی سولفیدهای لیتیوم و نیترات لیتیم را افزایش دهد، که می تواند به طور موثری از تشکیل دندریت های لیتیوم جلوگیری کند. از دیدگاه الکترودها، الکترودهای لیتیوم منفی سه بعدی می توانند تغییر حجم الکترودهای منفی مانند الکترودهای کامپوزیت گرافن را کاهش دهند. همچنین برخی از لایه‌های جدید SEI وجود دارند که می‌توانند به طور موثری رشد دندریت لیتیوم را مهار کنند.

روش الکترود پوشش سطحی

نقش و کاربرد پوشش سطح:پوشش سطحی فناوری اصلی برای محافظت از کاتدها و بهبود پایداری حرارتی مواد کاتدی است که می تواند انتقال فاز را سرکوب کرده و رسانایی مواد را افزایش دهد. استفاده از فناوری پوشش سطحی در مواد کاتد سه تایی منگنز نیکل کبالت (NMC) می تواند ریزساختار، عملکرد الکتروشیمیایی، هدایت حرارتی، ضریب انتشار یون و پایداری حرارتی را بهبود بخشد، آسیب ساختاری داخلی را کاهش دهد، پایداری چرخه را افزایش دهد و از شسته شدن یون فلزی جلوگیری کند.

روش ها و اثرات خاص:اگر از روش مصنوعی "پوشش + پرفیوژن" برای پوشش دادن مواد خاص در دمای اتاق استفاده شود، یا از فناوری سل ژل برای ایجاد یک پوشش یکنواخت روی سطح کاتد در دمای پایین استفاده شود، پایداری چرخه می تواند به طور قابل توجهی بهبود یابد.

3. خلاصه

طبقه بندی روش:روش‌های بهبود ایمنی باتری‌های لیتیوم یون را می‌توان تقریباً به دو دسته تقسیم کرد: یکی نظارت بر پارامترهای باتری در زمان واقعی به عنوان یک سیستم هشدار اولیه برای جلوگیری از حوادث ایمنی، و دیگری بهبود مواد داخلی یا ساختار باتری

اقدامات و اثرات خاص

در دسته اول، سیستم های مدیریت حرارتی باتری (BTMS) می توانند از فرار حرارتی جلوگیری کنند و BTMS هیبریدی بهترین اثر خنک کننده را دارد، اما ساختار پیچیده و هزینه بالا است. سنسورهای فیبر براگ گریتینگ (FBG) می توانند دمای باتری، فشار و فشار را در زمان واقعی کنترل کنند و به سرعت گرمای بیش از حد یا شرایط غیرعادی را شناسایی کنند.

در دسته دوم، محققان ایمنی باتری‌های لیتیوم یون را با بهبود جداکننده‌ها، الکترولیت‌ها، مهار رشد دندریت لیتیوم و درمان سطح کاتد بهبود بخشیده‌اند.