Comprender la tecnología de seguridad de las baterías de litio desde tres aspectos: material, diseño y proceso.
Peligros de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio son una fuente de energía química potencialmente peligrosa debido a sus características químicas y la composición del sistema.
(1). Alta actividad química
El litio es un elemento principal del grupo I en el segundo período de la tabla periódica de elementos y tiene propiedades químicas extremadamente activas.
(2). Alta densidad de energía
Las baterías de iones de litio tienen una energía específica extremadamente alta (mayor o igual a 140 Wh/kg), varias veces mayor que la de las baterías secundarias como las de níquel-cadmio y níquel-hidrógeno. Una reacción térmica descontrolada libera calor y puede provocar un comportamiento inseguro.
(3). Usando un sistema de electrolitos orgánicos
El disolvente orgánico del sistema de electrolitos orgánicos es el hidrocarburo, que tiene un voltaje de descomposición bajo y es propenso a la oxidación. El disolvente también es inflamable; la batería se incendiará, quemará o explotará si se produce una fuga.
(4). Alta probabilidad de reacciones secundarias.
Durante el uso normal de las baterías de iones de litio, se llevan a cabo internamente reacciones químicas positivas en las que la energía eléctrica y química se convierten entre sí. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, como sobrecarga, sobredescarga o funcionamiento con sobrecorriente, es fácil provocar reacciones químicas secundarias dentro de la batería. Cuando esta reacción secundaria se intensifica, afectará gravemente el rendimiento y la vida útil de la batería. Se puede producir una gran cantidad de gas, lo que hace que la presión dentro de la batería aumente rápidamente y luego explote y se incendie, provocando problemas de seguridad.
(5). La estructura del material del electrodo es inestable.
La reacción de sobrecarga de las baterías de iones de litio cambiará la estructura del material del cátodo, provocando que el material tenga un fuerte efecto de oxidación y provocando que el disolvente del electrolito sufra una fuerte oxidación. este efecto es irreversible, y si el calor provocado por la reacción se acumula, existe riesgo de fuga térmica.
Análisis de las causas de los problemas de seguridad en los productos de baterías de iones de litio.
Después de 30 años de desarrollo industrial de productos de baterías de iones de litio, la tecnología de seguridad ha logrado grandes avances, controlando eficazmente la aparición de reacciones secundarias en la batería y garantizando la seguridad de la batería. Sin embargo, a medida que las baterías de iones de litio se utilizan cada vez más y su densidad de energía es cada vez mayor, en los últimos años se han producido con frecuencia incidentes como explosiones y lesiones o retiradas de productos debido a riesgos para la seguridad. A continuación resumimos las principales razones que causan problemas de seguridad en los productos de baterías de iones de litio:
1. Problemas con el material del núcleo de la batería
Los materiales utilizados en el núcleo de la batería incluyen material activo positivo, material activo negativo, separador, electrolito y carcasa, etc. La selección de materiales y la combinación del sistema compuesto determinan el rendimiento de seguridad del núcleo de la batería. Al seleccionar materiales activos positivos y negativos y materiales separadores, el fabricante no realizó una cierta evaluación de las características y la correspondencia de las materias primas, lo que resultó en deficiencias inherentes en la seguridad de las celdas de la batería.
2. Problemas del proceso de producción
Las materias primas de las celdas de las baterías no se prueban estrictamente. El entorno de producción es deficiente, lo que conduce a la mezcla de impurezas en la producción, lo que no solo tiene una gran desventaja en la capacidad de la batería, sino que también tiene un gran impacto en la seguridad de la batería; además, si se mezcla demasiada humedad con el electrolito, se pueden provocar reacciones secundarias que aumenten la presión interna de la batería, lo que afecta la seguridad; Debido a limitaciones en el nivel del proceso de producción, el producto no puede lograr una buena consistencia durante el proceso de producción de las celdas de la batería, como una mala planitud de la base del electrodo, problemas como la caída de los materiales activos de los electrodos y la mezcla de otras impurezas en los materiales activos. , soldadura de lengüeta débil, temperatura de soldadura inestable, rebabas en los bordes de las piezas polares y no utilizar cinta aislante en piezas clave pueden afectar la seguridad del núcleo de la batería. efecto negativo.
3. Defectos de diseño del núcleo de la batería y rendimiento de seguridad reducido
En términos de diseño estructural, muchos puntos clave que tienen un impacto en la seguridad no son tomados en serio por los fabricantes, como la ausencia de cinta aislante en partes clave, el diseño del separador que no deja margen o no deja margen suficiente, la capacidad de los electrodos positivos y negativos. El diseño de la relación no es razonable y la actividad de los electrodos positivos y negativos, el diseño de la relación del área del material no es razonable, el diseño de la longitud de la pestaña no es razonable, etc., lo que puede representar peligros ocultos para la seguridad de la batería. Además, en el proceso de producción de celdas de batería, para ahorrar costos y mejorar el rendimiento, algunos fabricantes de baterías intentan ahorrar y comprimir materias primas, como reducir el área del diafragma, adelgazar láminas de cobre y aluminio, y no utilizar válvulas de alivio de presión. y cintas aislantes, etc., reducirán la seguridad de la batería.
4. La densidad de energía es demasiado alta
El mercado busca productos de baterías de mayor capacidad. Para aumentar la competitividad del producto, los fabricantes continúan aumentando el volumen de energía específico de las baterías de iones de litio, lo que aumenta considerablemente el riesgo de las baterías.
Tecnología de seguridad
Aunque las baterías de iones de litio tienen muchos peligros ocultos, bajo condiciones específicas de uso y adoptando ciertas medidas, se puede controlar eficazmente la aparición de reacciones secundarias y reacciones violentas en las celdas para garantizar su seguridad. A continuación se presentan brevemente varias tecnologías de seguridad comúnmente utilizadas para baterías de iones de litio.
Elija materias primas con un mayor factor de seguridad
Elija materiales activos positivos y negativos, materiales separadores y electrolitos con factores de seguridad más altos.
a) Selección de materiales catódicos.
La seguridad de los materiales catódicos se basa principalmente en los tres aspectos siguientes:
1. Estabilidad termodinámica del material;
2. Estabilidad química de los materiales;
3. Propiedades físicas de los materiales.
b) Selección de materiales del diafragma.
La función principal del separador es separar los electrodos positivo y negativo de la batería para evitar que los electrodos positivo y negativo entren en contacto y provoquen un cortocircuito. Al mismo tiempo, tiene la capacidad de dejar pasar los iones de electrolitos, es decir, tiene aislamiento electrónico y conductividad iónica. Al seleccionar separadores para baterías de iones de litio se deben tener en cuenta los siguientes puntos:
1. Tiene aislamiento electrónico y asegura el aislamiento mecánico de los electrodos positivo y negativo;
2. Tiene un cierto tamaño de poro y porosidad para garantizar una baja resistencia y una alta conductividad iónica;
3. El material del diafragma tiene suficiente estabilidad química y debe ser resistente a la corrosión del electrolito;
4. El diafragma debe tener la función de protección de apagado automático;
5. La contracción térmica y la deformabilidad del diafragma deben ser lo más pequeñas posible;
6 El diafragma debe tener un espesor determinado;
7 El diafragma debe tener una gran fuerza física y suficiente resistencia a la perforación.
c) Selección de electrolito
El electrolito es un componente importante de las baterías de iones de litio y desempeña un papel en el transporte y la conducción de corriente entre los electrodos positivo y negativo de la batería. El electrolito utilizado en las baterías de iones de litio es una solución de electrolito formada disolviendo una sal de litio apropiada en un disolvente mixto aprótico orgánico. Normalmente debe cumplir los siguientes requisitos:
1. Buena estabilidad química, sin reacción química con materiales activos de electrodos, colectores de corriente y separadores;
2. Buena estabilidad electroquímica y amplia ventana electroquímica;
3 Los iones de litio tienen alta conductividad y baja conductividad electrónica;
4. Amplio rango de temperatura del líquido;
5. Seguro, no tóxico y respetuoso con el medio ambiente.
Fortalecer el diseño de seguridad general de las celdas de batería.
El núcleo de la batería es el enlace que combina varios materiales en la batería. Integra el electrodo positivo, el electrodo negativo, el separador, la pestaña y la película de embalaje. El diseño estructural del núcleo de la batería afecta no sólo al rendimiento de diversos materiales sino también al rendimiento general de la batería. El rendimiento electroquímico y el rendimiento de seguridad tienen un impacto importante. La selección de materiales y el diseño estructural del núcleo de la batería están en una relación parcial y global. Las características del material deben combinarse en el diseño del núcleo de la batería para formular un modelo estructural razonable.
Además, también se pueden considerar algunos dispositivos de protección adicionales en la estructura de la batería de litio. Los diseños de mecanismos de protección comunes incluyen los siguientes:
1. Usando elementos de conmutación, cuando la temperatura dentro de la batería aumenta, su resistencia aumenta en consecuencia. Cuando la temperatura es demasiado alta, el suministro de energía se detendrá automáticamente;
2. Instale una válvula de seguridad (el orificio de ventilación en la parte superior de la batería). Cuando la presión interna de la batería aumenta a un cierto valor, la válvula de seguridad se abrirá automáticamente para garantizar su seguridad.
Los siguientes son algunos ejemplos del diseño de seguridad de estructuras de celdas de batería:
a) Relación de capacidad de los electrodos positivos y negativos y tamaño de diseño del chip.
Seleccione la relación de capacidad de electrodo positivo y negativo adecuada según las características de los materiales de los electrodos positivo y negativo. La relación entre las capacidades de los electrodos positivos y negativos del núcleo de la batería es un vínculo importante relacionado con la seguridad de la batería de iones de litio. Si la capacidad del electrodo positivo es demasiado grande, aparecerá litio metálico en la superficie del electrodo negativo. deposición, y si el electrodo negativo es demasiado grande, la capacidad de la batería sufrirá una pérdida mayor. En términos generales, N/P=1.05~1.15 y las selecciones adecuadas se realizan según la capacidad real de la batería y los requisitos de seguridad. Diseñar el tamaño de la pieza de manera que la posición de la pasta del electrodo negativo (material activo) cubra (sea mayor que) la posición de la pasta del electrodo positivo. Generalmente, el ancho debe ser de 1 a 5 mm mayor y el largo debe ser de 5 a 10 mm mayor.
b) Margen para el ancho del diafragma
El principio general del diseño del ancho del separador es evitar cortocircuitos internos causados por el contacto directo entre los electrodos positivo y negativo. Debido a la contracción térmica del separador durante el proceso de carga y descarga de la batería y en choques térmicos y otros entornos, el separador se deformará en las direcciones de largo y ancho, y el separador El área arrugada aumenta la polarización debido al aumento distancia entre los electrodos positivo y negativo; el área estirada del separador aumenta la posibilidad de microcortocircuito debido al adelgazamiento del separador; La contracción del área del borde del separador puede causar que los electrodos positivo y negativo se produzcan directamente un cortocircuito interno debido al contacto, lo que hará que la batería esté en peligro debido al descontrol térmico. Por lo tanto, al diseñar una batería, se deben considerar las características de contracción del separador al utilizar el área y el ancho. El separador es más grande que el ánodo y el cátodo. Teniendo en cuenta los errores del proceso, la película aislante debe ser al menos 0.1 mm más larga que el borde exterior de la pieza polar.
c) Tratamiento de aislamiento
El cortocircuito interno es un factor importante en el riesgo de seguridad de las baterías de iones de litio. En el diseño estructural de la celda de la batería, muchas piezas potencialmente peligrosas pueden provocar cortocircuitos internos. Por lo tanto, se deben establecer las medidas o el aislamiento necesarios en estas ubicaciones clave para evitar la aparición de cortocircuitos internos en circunstancias anormales. Si se produce un cortocircuito dentro de la batería, por ejemplo, mantenga la distancia necesaria entre las orejas del electrodo positivo y negativo; aplique cinta aislante en el acabado de un solo lado sin pegar en el medio y cubra todas las partes expuestas; aplique cinta aislante entre el papel de aluminio positivo y el material activo negativo; aplicación La cinta aislante cubre todas las partes de soldadura de las pestañas; Se utiliza cinta aislante en la parte superior del núcleo de la batería.
d) Instalar una válvula de seguridad (dispositivo de alivio de presión)
Las baterías de iones de litio suelen estar en peligro porque la temperatura o presión interna es demasiado alta, lo que provoca explosiones o incendios; La instalación de un dispositivo de alivio de presión razonable puede liberar rápidamente la presión y el calor dentro de la batería cuando ocurre un peligro, lo que reduce el riesgo de explosión. Se requiere un dispositivo de alivio de presión razonable para satisfacer la presión interna de la batería durante el funcionamiento normal y abrirse automáticamente para liberar la presión cuando la presión interna alcance el límite peligroso. Al establecer la posición del dispositivo de alivio de presión, se debe considerar el impacto del aumento de la presión interna de la carcasa de la batería. Diseñadas en función de las características de deformación, las válvulas de seguridad se pueden diseñar a través de laminillas, bordes, costuras y muescas.
Mejorar el nivel de tecnología.
Se deben hacer esfuerzos para estandarizar el proceso de producción de celdas de batería. En los pasos de mezclar, recubrir, hornear, compactar, cortar y enrollar, estandarizar (como el ancho del diafragma, volumen de inyección de electrolito, etc.) y mejorar los métodos de proceso (como el método de inyección a baja presión, carga centrífuga, etc.) Método Shell, etc.), hacen un buen trabajo en el control del proceso, garantizan la calidad del proceso y reducen las diferencias entre productos; configurar pasos de proceso especiales en pasos clave que tienen un impacto en la seguridad (como desbarbar la placa del electrodo, barrer polvo y usar diferentes métodos de soldadura para diferentes materiales), métodos, etc.), implementar un monitoreo de calidad estandarizado, eliminar piezas defectuosas y excluir productos defectuosos (como deformación de la pieza polar, perforación del diafragma, caída del material activo, fuga de electrolito, etc.); mantener el sitio de producción limpio y ordenado e implementar la gestión 5S y el control de calidad 6 -sigma para evitar la mezcla de impurezas y humedad durante la producción y minimizar el impacto de los accidentes en la seguridad durante la producción.
