Литий-ионные аккумуляторы Мощные аккумуляторы обеспечивают питание бесчисленного множества устройств, но их плотность энергии сопряжена с определенными рисками. Проблемы безопасности, связанные с литий-ионными аккумуляторами, включают в себя такие серьёзные опасности, как тепловой пробой, пожары и взрывы. многофакторная оценка выявляет ключевые риски Например, газообразование во вздутых аккумуляторах и старение при неправильной эксплуатации. Что является причиной этих неисправностей и как их можно смягчить?
Часть 1: Распространенные механизмы выхода из строя литий-ионных аккумуляторов
1.1 Тепловой разгон
Тепловой разгон — один из самых опасных механизмов отказа литий-ионных аккумуляторов. Неконтролируемый перегрев аккумулятора может привести к возгоранию или взрыву. Это явление часто начинается с внутреннего тепловыделения, вызванного химическими реакциями, которое затем ускоряется по мере повышения температуры. Эта проблема может возникнуть из-за перезаряда, физического повреждения или воздействия высоких температур.
Исследования показывают, что, хотя отдельные аварии с литий-ионными аккумуляторами могут иметь ограниченные последствия, распространение теплового разгона внутри аккумуляторных блоков может усугубить тяжесть инцидентов. Например, процесс теплопередачи играет решающую роль в определении распространения разгона. Эффективные методы пожаротушения, такие как контроль тепловыделения, могут снизить ущерб.
Аккумулятор химии | Влияние SOC на объем добычи газа |
|---|---|
NMC | Наблюдается увеличение |
LFP | Корреляция незначительная или отсутствует |
NCA | Наблюдается увеличение |
LCO | Наблюдается увеличение |
1.2 Механическая деформация
Механическая деформация нарушает структурную целостность литий-ионных аккумуляторов, что приводит к потенциальным опасностям. Под воздействием внешних сил, таких как сжатие или удар, в аккумуляторе могут возникнуть внутренние короткие замыкания или даже тепловой разгон. Испытания на квазистатическое сжатие показывают, что более высокие уровни заряда (SOC) и более высокие скорости загрузки увеличивают риск теплового разгона.
Фокус исследования | Результаты |
|---|---|
Виды разрушения при осевых нагрузках | Исследовано с помощью испытаний на квазистатическое сжатие и динамический удар. |
Интенсивность теплового разгона | Увеличивается с более высоким уровнем заряда (SOC) и скорость загрузки. |
Внутреннее короткое замыкание | Произошло после динамического удара, но резкого теплового разгона не наблюдалось. |
1.3 Перезарядка и переразрядка
Перезаряд и переразряд критически влияют на деградацию литий-ионных аккумуляторов. Перезаряд увеличивает риск кратковременного отказа и снижения ёмкости, а переразряд приводит к необратимому повреждению электродов аккумулятора. Оба варианта негативно сказываются на безопасности и производительности аккумулятора.
Аспект | Эффекты чрезмерной разрядки | |
|---|---|---|
Электрохимический анализ | Более высокое напряжение отключения приводит к кратковременному выходу аккумулятора из строя. Заметное снижение ёмкости наблюдается даже при более низком напряжении отключения. | Наблюдается повышенное сопротивление и существенное снижение обратимой емкости. |
Механические свойства | Серьезное повреждение и осыпание частиц катода; значительное снижение модуля и твердости. | Повреждение и отслоение активных частиц катода; снижение механических свойств. |
Риски безопасности | Значительная деградация влечет за собой существенные риски для безопасности. | Повышенная скрытая опасность для безопасности аккумулятора из-за ухудшения его производительности. |
Структурные изменения | Отложения переходных металлов и литиевое покрытие на поверхности анода способствуют потере емкости. | Морфологические изменения катода приводят к проблемам с производительностью. |
Термостойкость | Заметное ухудшение термостойкости сепараторов. | Отмечено ухудшение производительности сепаратора. |
1.4 Внутренние короткие замыкания
Внутренние короткие замыкания возникают при разрушении разделителя между электродами аккумулятора, что приводит к прямому контакту. Этот механизм неисправности часто возникает из-за производственных дефектов, загрязнений или механических воздействий. Короткое замыкание может привести к тепловому разгону, что представляет серьёзную опасность.
Потеря лития (LLI), потеря активных материалов (LAM) и потеря проводимости (CL) являются распространёнными последствиями внутренних коротких замыканий. Эти механизмы снижают ёмкость аккумулятора и увеличивают внутреннее сопротивление, что в конечном итоге сокращает срок его службы.
Механизм | Описание |
|---|---|
Потеря литиевого запаса (LLI) | Происходит из-за роста пленки катодного электролита и разложения электролита, что приводит к захвату ионов лития и снижению емкости. |
Потеря активных материалов (LAM) | Относится к потере активной массы в электродах из-за литирования, разложения связующего вещества и структурных повреждений, влияющих на емкость. |
Потеря проводимости (CL) | Описывает снижение способности материалов проводить ионы лития и электроны, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления и сокращению срока службы батареи. |
Часть 2: Основные факторы, способствующие выходу из строя литий-ионных аккумуляторов
2.1 Свойства материала и примеси
Материалы, используемые в литий-ионных аккумуляторах, играют решающую роль в их производительности и безопасности. Примеси, даже микроскопические, могут значительно увеличить риск выхода из строя. Например, металлические частицы, попавшие в процессе производства, могут вызвать внутренние короткие замыкания, приводящие к тепловому разгону. Эта проблема особенно остро проявляется в аккумуляторах со сверхтонкими сепараторами (24 мкм и менее), которые более подвержены загрязнению.
Описание доказательств | Описание |
|---|---|
Микроскопические металлические частицы | Это может вызвать короткие замыкания в литий-ионных элементах, приводящие к выходам их из строя. |
Чистота производства | Несмотря на наличие чистых помещений, дефекты все равно возникают из-за ограничений. |
Ультратонкие сепараторы | Элементы с сепараторами размером 24 мкм или меньше более подвержены образованию примесей, что увеличивает риск теплового разгона. |
Деградация материалов также способствует выходу аккумулятора из строя. Например, коррозия уменьшает эффективную площадь поперечного сечения металлических компонентов, ослабляя их структурную целостность. Высокие температуры усугубляют эту проблему, вызывая необратимые повреждения и сокращая срок службы аккумулятора.
Аспект | Результаты |
|---|---|
Эффекты коррозии | Коррозия снижает прочность, модуль упругости и пластичность металлических элементов. |
Температура Воздействие | Высокие температуры вызывают необратимые повреждения, увеличивая внутреннее сопротивление. |
Механическая целостность | Динамические удары выявляют существенные различия в характеристиках деформации аккумуляторов. |
Чтобы снизить эти риски, следует отдавать предпочтение аккумуляторам от производителей, которые соблюдают строгие стандарты качества материалов. Это гарантирует минимизацию количества примесей и дефектов материала, повышая как производительность, так и безопасность.
2.2 Условия окружающей среды и эксплуатации
Факторы окружающей среды, такие как температура и влажность Значительно влияют на производительность и надёжность литий-ионных аккумуляторов. Изменения этих условий могут привести к неточности показаний датчиков, что затрудняет точное определение ёмкости аккумулятора.
Температура и относительная влажность влияют на выходные данные датчика, что может указывать на потенциальные неисправности.
Влияние окружающей среды вносит неопределенность в надежность данных, усложняя прогнозирование пропускной способности.
Модели, учитывающие эти факторы, необходимы для повышения точности прогнозов.
Условия эксплуатации также играют решающую роль. Высокие температуры ускоряют старение аккумулятора, а низкие могут вызвать литирование, что приводит к потере ёмкости. Вибрации и механические удары, распространённые в промышленность и транспортные приложения, еще больше нагружают аккумулятор, увеличивая вероятность выхода его из строя.
Результаты | Описание |
|---|---|
Точность прогноза | Модели на основе данных повышают точность прогнозов в процессе старения. |
Изменения параметров | Старение увеличивает внутреннее сопротивление и постоянную времени диффузии. |
Корреляция | Внешние параметры, такие как время нарастания напряжения, согласуются с изменениями внутреннего состояния. |
Для обеспечения оптимальной производительности литий-ионных аккумуляторов следует эксплуатировать их в рекомендуемых диапазонах температуры и влажности. Избегайте воздействия на них экстремальных условий или механических нагрузок, так как эти факторы могут снизить их безопасность и срок службы.
2.3 Производственные дефекты и контроль качества
Заводской брак По-прежнему существенно влияют на отказы литий-ионных аккумуляторов. Даже при использовании передовых технологий производства могут возникать такие проблемы, как образование отверстий в сепараторе, несоосность электродов и несоответствие материалов. Эти дефекты часто приводят к коротким замыканиям, обрывам цепи или скрытым дефектам, которые проявляются на более поздних этапах эксплуатации аккумулятора.
Тип отказа | Описание |
|---|---|
Отказ из-за разомкнутой цепи | Возникает в сварных швах, соединениях или из-за коррозии. |
Короткое замыкание | Часто возникает из-за дефектов микронного размера в точках контакта электродов. |
Скрытые дефекты | Спящие дефекты, которые активизируются и со временем приводят к отказам. |
Механические дефекты | Включает отверстия в сепараторе, несоосность и складки электродов. |
Проблемы с качеством материалов | Низкое качество материала может привести к дефектам даже в хорошо изготовленных батареях. |
Пороговый механизм | Отказы происходят, когда внутренние состояния превышают критические пороги из-за факторов деградации. |
Меры контроля качества, такие как анализ видов и последствий отказов (FMEA) и анализ видов и последствий отказов (FMMEA), необходимы для выявления и снижения этих рисков. Внедряя строгие протоколы испытаний, производители могут выявлять и устранять дефекты до того, как аккумуляторы попадут к потребителям. Всегда следует выбирать аккумуляторы от проверенных производителей, которые уделяют первостепенное внимание контролю качества.
2.4 Неправильное использование и обслуживание
Неправильное обращение и обслуживание значительно увеличивают риск выхода литий-ионных аккумуляторов из строя. Неправильные условия эксплуатации, такие как перезаряд, глубокий разряд или воздействие экстремальных температур, могут привести к катастрофическим последствиям. Исследования показывают, что литий-ионные аккумуляторы достигают критическая температура 440 К Непосредственно перед взрывом. Во время таких событий уровень звукового давления может варьироваться от 46.2 до 83.85 дБ в течение миллисекунд, что подчёркивает серьёзность последствий подобных аварий.
Пренебрежение надлежащим обслуживанием также ускоряет деградацию аккумулятора. Например, перегрев аккумулятора или зарядка при отрицательных температурах могут вызвать перегрев, приводящий к тепловому пробою. Резкие падения напряжения и скачки температуры часто являются признаком приближающегося отказа, что подчёркивает важность регулярного мониторинга.
Чтобы минимизировать риски, следуйте этим рекомендациям:
Храните частично заряженные батареи в прохладном, сухом месте.
Избегайте перезарядки или глубокой разрядки.
Используйте зарядные устройства и аксессуары, рекомендованные производителем.
Соблюдая эти рекомендации, вы сможете продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, обеспечивая при этом их безопасность и надежность.
Неисправности литий-ионных аккумуляторов могут быть вызваны такими факторами, как тепловой разгон, наличие примесей в материале и неправильное использование. Эти неисправности могут привести к серьёзным последствиям, включая опасность возгорания. Для снижения рисков необходимо применять надёжные меры безопасности, такие как надлежащее техническое обслуживание и меры пожаротушения.
Достижения в области технологий безопасности аккумуляторов обещают многое. Например:
Агентство по охране окружающей среды США планирует предложить новые правила обращения с литий-ионными аккумуляторами как с универсальными отходами.
В настоящее время предприятия проводят оценку теплового разгона для сертификации аккумуляторных батарей на предмет безопасного использования.
Эти разработки открывают путь к будущему, в котором улучшенные стандарты безопасности и стратегии пожарной безопасности обеспечат более безопасное применение литий-ионных аккумуляторов.
FAQ
1. Каковы наиболее распространённые причины несчастных случаев, связанных с литий-ионными аккумуляторами?
Несчастные случаи часто происходят из-за теплового разгона, неправильной эксплуатации или производственных дефектов. Эти факторы могут привести к перегреву, пожарам или взрывам.
2. Как температура влияет на производительность литий-ионного аккумулятора?
Экстремальные температуры ускоряют старение и увеличивают риск выхода из строя. Высокая температура приводит к тепловому пробою, а отрицательные температуры вызывают литирование, что снижает ёмкость.
3. Какие меры можно предпринять для предотвращения возгорания литий-ионных аккумуляторов?
Храните аккумуляторы в прохладном, сухом месте. Избегайте перезарядки и воздействия на них тепла. Используйте сертифицированные зарядные устройства и следуйте рекомендациям производителя.
