הבן את טכנולוגיית הבטיחות של סוללת ליתיום משלושה היבטים: חומר, עיצוב ותהליך
סכנות של סוללות ליתיום-יון
סוללות ליתיום-יון הן מקור כוח כימי שעלול להיות מסוכן בשל המאפיינים הכימיים שלהן והרכב המערכת.
(1). פעילות כימית גבוהה
ליתיום הוא יסוד מקבוצה I בתקופה השנייה של הטבלה המחזורית של היסודות ובעל תכונות כימיות פעילות במיוחד.
(2). צפיפות אנרגיה גבוהה
לסוללות ליתיום-יון יש אנרגיה ספציפית גבוהה במיוחד (שווה או יותר מ-140 וואט/ק"ג), פי כמה מזו של סוללות משניות כגון ניקל-קדמיום וניקל-מימן. תגובת בריחת תרמית משחררת חום ועלולה להוביל להתנהגות לא בטוחה.
(3). שימוש במערכת אלקטרוליטים אורגנית
הממס האורגני של מערכת האלקטרוליטים האורגניים הוא פחמימן, בעל מתח פירוק נמוך ונוטה להתחמצנות. הממס גם דליק; הסוללה תתלקח, תישרף או תתפוצץ אם תתרחש דליפה.
(4). סבירות גבוהה לתגובות לוואי
במהלך שימוש רגיל בסוללות ליתיום-יון, מבוצעות באופן פנימי תגובות חיוביות כימיות שבהן אנרגיה חשמלית וכימית מומרת זו לזו. עם זאת, בתנאים מסוימים, כגון טעינת יתר, פריקת יתר או פעולת זרם יתר, קל לגרום לתגובות לוואי כימיות בתוך הסוללה. כאשר תגובת צד זו מתעצמת, היא תשפיע באופן רציני על הביצועים וחיי השירות של הסוללה. כמות גדולה של גז עלולה להיווצר, מה שגורם ללחץ בתוך הסוללה לעלות במהירות ולאחר מכן להתפוצץ ולהתלקח, ולגרום לבעיות בטיחות.
(5). מבנה חומר האלקטרודה אינו יציב
תגובת טעינת היתר של סוללות ליתיום-יון תשנה את מבנה החומר הקתודה, תגרום לחומר השפעת חמצון חזקה ותגרום לממס שבאלקטרוליט לעבור חמצון חזק. השפעה זו היא בלתי הפיכה, ואם החום הנגרם מהתגובה מצטבר, קיים סיכון לבריחה תרמית.
ניתוח הגורמים לבעיות בטיחות במוצרי סוללת ליתיום-יון
לאחר 30 שנה של פיתוח תעשייתי של מוצרי סוללות ליתיום-יון, טכנולוגיית הבטיחות התקדמה מאוד, שולטת ביעילות על התרחשות תגובות לוואי בסוללה ומבטיחה את בטיחות הסוללה. עם זאת, ככל שסוללות ליתיום-יון נמצאות בשימוש נרחב יותר ויותר וצפיפות האנרגיה שלהן הולכת וגוברת, תקריות כגון פיצוצים ופציעות או החזרת מוצרים עקב סכנות בטיחות התרחשו לעתים קרובות בשנים האחרונות. אנו מסכמים את הסיבות העיקריות הגורמות לבעיות בטיחות במוצרי סוללת ליתיום-יון באופן הבא:
1. בעיות חומר ליבת הסוללה
החומרים המשמשים בליבת הסוללה כוללים חומר פעיל חיובי, חומר פעיל שלילי, מפריד, אלקטרוליט ומעטפת וכו'. בחירת החומרים וההתאמה של המערכת המורכבת קובעים את ביצועי הבטיחות של ליבת הסוללה. בבחירת חומרים פעילים חיוביים ושליליים וחומרי מפרידה, היצרן לא ערך הערכה מסוימת של המאפיינים וההתאמה של חומרי הגלם, מה שהביא לליקויים מובנים בבטיחות תאי הסוללה.
2. בעיות בתהליך הייצור
חומרי הגלם של תאי הסוללה אינם נבדקים בקפדנות. סביבת הייצור ירודה, מה שמוביל לערבוב של זיהומים בייצור, אשר לא רק בעל חיסרון גדול בקיבולת הסוללה, אלא גם בעל השפעה רבה על בטיחות הסוללה; בנוסף, אם יותר מדי מעורבב לתוך האלקטרוליט לחות עלולה לגרום לתגובות לוואי להגביר את הלחץ הפנימי של הסוללה, להשפיע על הבטיחות; עקב מגבלות ברמת תהליך הייצור, המוצר אינו יכול להשיג עקביות טובה במהלך תהליך הייצור של תאי הסוללה, כגון שטוחות לקויה של בסיס האלקטרודה, בעיות כגון נפילה של חומרים פעילים אלקטרודה, ערבוב של זיהומים אחרים בחומרים פעילים , ריתוך כרטיסיות חלש, טמפרטורת ריתוך לא יציבה, כתמים בקצוות של חלקי מוט ואי שימוש בסרט בידוד על חלקים מרכזיים עלולים להשפיע על בטיחות ליבת הסוללה. אפקט שלילי.
3. פגמים בתכנון ליבת הסוללה וביצועי בטיחות מופחתים
מבחינת עיצוב מבני, נקודות מפתח רבות בעלות השפעה על הבטיחות אינן נלקחות ברצינות על ידי היצרנים, כגון היעדר סרט בידוד בחלקי מפתח, עיצוב המפריד לא משאיר שוליים או שוליים לא מספיקים, קיבולת האלקטרודה החיובית והשלילית. עיצוב היחס אינו סביר, ופעילות האלקטרודה החיובית והשלילית עיצוב יחס שטח החומר אינו סביר, עיצוב אורך הלשונית אינו סביר וכו', מה שעלול להוות סכנות נסתרות לבטיחות הסוללה. בנוסף, בתהליך הייצור של תאי סוללה, כדי לחסוך בעלויות ולשפר את הביצועים, חלק מיצרני הסוללות מנסים לחסוך ולדחוס חומרי גלם, כמו הקטנת שטח הסרעפת, דילול רדיד נחושת ורדיד אלומיניום, ולא שימוש בשסתומי שחרור לחץ. וסרטי בידוד וכו', אלו יפחיתו את בטיחות הסוללה.
4. צפיפות האנרגיה גבוהה מדי
השוק רודף אחר מוצרי סוללה בעלי קיבולת גבוהה יותר. כדי להגביר את התחרותיות של המוצר, היצרנים ממשיכים להגדיל את האנרגיה הספציפית לנפח של סוללות ליתיום-יון, מה שמגביר מאוד את הסיכון לסוללות.
טכנולוגיית אבטחה
למרות שלסוללות ליתיום-יון יש סכנות נסתרות רבות, בתנאי שימוש ספציפיים ועל ידי נקיטת אמצעים מסוימים, ניתן לשלוט ביעילות על התרחשותן של תגובות לוואי ותגובות אלימות בתאים כדי להבטיח את בטיחותן. להלן מוצגות בקצרה מספר טכנולוגיות בטיחות נפוצות עבור סוללות ליתיום-יון.
בחרו בחומרי גלם בעלי מקדם בטיחות גבוה יותר
בחר חומרים פעילים חיוביים ושליליים, חומרים מפרידים ואלקטרוליטים עם מקדמי בטיחות גבוהים יותר.
א) בחירת חומרי קתודה
הבטיחות של חומרי הקתודה מבוססת בעיקר על שלושת ההיבטים הבאים:
1. יציבות תרמודינמית של החומר;
2. יציבות כימית של חומרים;
3. תכונות פיזיקליות של חומרים.
ב) בחירת חומרי דיאפרגמה
תפקידו העיקרי של המפריד הוא להפריד בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה כדי למנוע מהאלקטרודות החיוביות והשליליות ליצור קשר ולגרום לקצר חשמלי. יחד עם זאת, יש לו את היכולת לאפשר ליוני אלקטרוליט לעבור דרכם, כלומר יש לו בידוד אלקטרוני ומוליכות יונים. יש לשים לב לנקודות הבאות בעת בחירת מפרידים לסוללות ליתיום-יון:
1. יש לו בידוד אלקטרוני ומבטיח את הבידוד המכני של האלקטרודות החיוביות והשליליות;
2. יש לו גודל נקבוביות ונקבוביות מסוימים כדי להבטיח התנגדות נמוכה ומוליכות יונית גבוהה;
3. לחומר הדיאפרגמה יש יציבות כימית מספקת ועליו להיות עמיד בפני קורוזיה אלקטרוליטים;
4. הדיאפרגמה חייבת להיות בעלת פונקציה של הגנה אוטומטית על כיבוי;
5. ההתכווצות התרמית והעיוות של הסרעפת צריכים להיות קטנים ככל האפשר;
6 הסרעפת חייבת להיות בעלת עובי מסוים;
7 הסרעפת חייבת להיות בעלת חוזק פיזי חזק ועמידות מספקת לנקב.
ג) בחירת אלקטרוליט
האלקטרוליט הוא מרכיב חשוב בסוללות ליתיום-יון והוא ממלא תפקיד בהובלה והולכת זרם בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה. האלקטרוליט המשמש בסוללות ליתיום-יון הוא תמיסת אלקטרוליט שנוצרה על ידי המסת מלח ליתיום מתאים בממס מעורב אפרוטי אורגני. בדרך כלל זה אמור לעמוד בדרישות הבאות:
1. יציבות כימית טובה, ללא תגובה כימית עם חומרים פעילים אלקטרודה, קולטי זרם ומפרידים;
2. יציבות אלקטרוכימית טובה וחלון אלקטרוכימי רחב;
ל-3 יוני ליתיום מוליכות גבוהה ומוליכות אלקטרונית נמוכה;
4. טווח טמפרטורות נוזל רחב;
5. בטוח, לא רעיל, וידידותי לסביבה.
חיזוק עיצוב הבטיחות הכולל של תאי סוללה
ליבת הסוללה היא החוליה המשלבת חומרים שונים בסוללה. הוא משלב את האלקטרודה החיובית, האלקטרודה השלילית, המפריד, הלשונית וסרט האריזה. העיצוב המבני של ליבת הסוללה משפיע לא רק על הביצועים של חומרים שונים אלא גם על הביצועים הכוללים של הסוללה. לביצועים האלקטרוכימיים ולביצועי הבטיחות יש השפעה חשובה. בחירת החומרים והעיצוב המבני של ליבת הסוללה נמצאים ביחס חלקי וכולל. יש לשלב את מאפייני החומר בעיצוב ליבת הסוללה כדי לגבש מודל מבני סביר.
בנוסף, ניתן לשקול כמה התקני הגנה נוספים גם במבנה סוללת הליתיום. עיצובי מנגנוני הגנה נפוצים כוללים את הדברים הבאים:
1. באמצעות אלמנטים מיתוג, כאשר הטמפרטורה בתוך המצבר עולה, ההתנגדות שלה עולה בהתאם. כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי, אספקת החשמל תופסק אוטומטית;
2. הגדר שסתום בטיחות (חור האוורור בחלק העליון של הסוללה). כאשר הלחץ הפנימי של המצבר עולה לערך מסוים, שסתום הבטיחות ייפתח אוטומטית כדי להבטיח את בטיחותו.
להלן כמה דוגמאות לתכנון הבטיחות של מבני תאי סוללה:
א) יחס קיבולת של אלקטרודות חיוביות ושליליות וגודל התכנון של השבב
בחר את יחס קיבולת האלקטרודה החיובית והשלילית המתאים בהתבסס על המאפיינים של חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים. היחס בין יכולות האלקטרודות החיוביות והשליליות של ליבת הסוללה הוא חוליה חשובה הקשורה לבטיחות סוללת הליתיום-יון. אם קיבולת האלקטרודה החיובית גדולה מדי, ליתיום מתכתי יופיע על פני האלקטרודה השלילית. שקיעה, ואם האלקטרודה השלילית גדולה מדי, קיבולת הסוללה תסבול מאובדן גדול יותר. באופן כללי, N/P=1.05~1.15 והבחירות המתאימות נעשות על סמך קיבולת הסוללה בפועל ודרישות הבטיחות. תכנן את גודל היצירה כך שהמיקום של משחת האלקטרודה השלילית (חומר פעיל) מכסה (גדול מ) את המיקום של משחת האלקטרודה החיובית. בדרך כלל, הרוחב צריך להיות גדול ב-1 עד 5 מ"מ והאורך צריך להיות גדול יותר ב-5 עד 10 מ"מ.
ב) הפרש לרוחב דיאפרגמה
העיקרון הכולל של עיצוב רוחב המפריד הוא מניעת קצרים פנימיים הנגרמים ממגע ישיר בין האלקטרודות החיוביות והשליליות. עקב הצטמקות תרמית של המפריד במהלך תהליך הטעינה והפריקה של הסוללה ובסביבות הלם תרמי ובסביבות אחרות, המפריד יתעוות בכיווני האורך והרוחב, והמפריד יעשה. האזור המקומט מגביר את הקיטוב בגלל הגידול המוגבר מרחק בין האלקטרודות החיוביות והשליליות; השטח המתוח של המפריד מגביר את האפשרות לקצר מיקרו עקב דילול המפריד; ההתכווצות של אזור קצה המפריד עלול לגרום לאלקטרודות החיוביות והשליליות להופיע ישירות קצר חשמלי פנימי מתרחש עקב מגע, מה שיגרום לסוללה להיות בסכנה עקב בריחת תרמית. לכן, בעת תכנון סוללה, יש להתחשב במאפייני הכיווץ של המפריד בעת שימוש בשטח וברוחב. המפריד גדול יותר מהאנודה והקתודה. בהתחשב בשגיאות בתהליך, סרט הבידוד חייב להיות לפחות 0.1 מ"מ ארוך מהקצה החיצוני של חלק המוט.
ג) טיפול בידוד
קצר חשמלי פנימי הוא גורם חשוב בסכנה הבטיחותית של סוללות ליתיום-יון. בתכנון המבני של תא הסוללה, חלקים רבים שעלולים להיות מסוכנים עלולים לגרום לקצרים פנימיים. לכן, יש להגדיר אמצעים או בידוד הכרחיים במקומות מפתח אלו כדי למנוע התרחשות של קצר חשמלי פנימי בנסיבות חריגות. אם מתרחש קצר חשמלי בתוך הסוללה, למשל, שמור על מרחק הכרחי בין אוזני האלקטרודה החיובית והשלילית; להחיל סרט בידוד על הצד הבודד המסיים ללא הדבק באמצע, ולכסות את כל החלקים החשופים; להחיל סרט בידוד בין רדיד האלומיניום החיובי לחומר הפעיל השלילי; יישום סרט בידוד מכסה את כל חלקי הריתוך של הכרטיסיות; סרט בידוד משמש בחלק העליון של ליבת הסוללה.
ד) הגדר שסתום בטיחות (התקן לשחרור לחץ)
סוללות ליתיום-יון נמצאות לעתים קרובות בסכנה מכיוון שהטמפרטורה או הלחץ הפנימיים גבוהים מדי, מה שגורם לפיצוצים או שריפות; הקמת מתקן שחרור לחץ סביר יכול לשחרר במהירות את הלחץ והחום בתוך הסוללה כאשר מתרחשת סכנה, ולהפחית את הסיכון לפיצוץ. נדרש מתקן שחרור לחץ סביר כדי לעמוד בלחץ הפנימי של המצבר בזמן פעולה רגילה ויפתח אוטומטית לשחרור הלחץ כאשר הלחץ הפנימי מגיע לגבול המסוכן. בעת הגדרת המיקום של התקן שחרור הלחץ, יש לקחת בחשבון את ההשפעה של העלייה בלחץ הפנימי של מעטפת הסוללה. מעוצב על סמך מאפייני דפורמציה, ניתן לעצב שסתומי בטיחות דרך למלות, קצוות, תפרים וחריצים.
שפר את רמת הטכנולוגיה
יש לעשות מאמצים לסטנדרטיזציה של תהליך ייצור תאי הסוללה. בשלבי ערבוב, ציפוי, אפייה, דחיסה, חיתוך וליפוף, תקן (כגון רוחב דיאפרגמה, נפח הזרקת אלקטרוליטים וכו') ושיפור שיטות תהליך (כגון שיטת הזרקה בלחץ נמוך, העמסה צנטריפוגלי וכו') שיטת מעטפת וכו'), עושים עבודה טובה בבקרת תהליכים, מבטיחים איכות תהליך ומצמצמים את ההבדלים בין המוצרים; להגדיר שלבי תהליך מיוחדים בשלבי מפתח שיש להם השפעה על הבטיחות (כגון פירוק לוחית האלקטרודה, אבקת טאטוא ושימוש בשיטות ריתוך שונות לחומרים שונים) שיטות וכו'), ליישם ניטור איכות סטנדרטי, ביטול חלקים פגומים, ו לא לכלול מוצרים פגומים (כגון דפורמציה של חלקי המוט, ניקור דיאפרגמה, נפילת חומר פעיל, דליפת אלקטרוליטים וכו'); לשמור על אתר הייצור מסודר ונקי, ולהטמיע ניהול 5S ו6 -בקרת איכות של sigma כדי למנוע ערבוב של זיהומים ולחות במהלך הייצור ולמזער את ההשפעה של תאונות על הבטיחות במהלך הייצור.
