Høy nikkellitiumbatterisikkerhet har blitt en konsensus, men solid-state litiumbatterier er nå delt
Et marked for elektriske kjøretøy som respekterer energitetthet har medført enorme utfordringer for sikkerheten til batteripakker og komplette kjøretøy. I 2018 var det 52 sikkerhetsulykker per million elektriske kjøretøy i Kina. Når det gjelder scener, er lading, kjøring og parkering alle scener der sikkerhetsulykker inntreffer.
Hvis årsakene analyseres, er 58 % av brannulykkene forårsaket av termisk løping av litiumbatterier. Nesten 90 % av termisk rømming er forårsaket av kortslutninger. På cellenivå er de positive og negative materialene, elektrolytt og diafragma den direkte sikringen for termisk løping. Etter gruppering er hvordan man undertrykker termisk diffusjon i konstruksjonsdesign, kjøling og elektrisk kontroll knyttet til om risikoen for termisk løping kan reduseres eller kveles.
Fra 16. til 17. oktober 2019 ble 2019 Kina-Japan-Korea Next Generation New Energy Vehicle Battery Technology Conference holdt i Shanghai. Konferansen er delt i to fora, temaene er batteritermisk sikkerhet og løsninger og solid-state batterinøkkelteknologi og industrialiseringsutfordringer.
Forum 1, OEM-er, strømbatteriselskaper, kjente universiteter, laboratorier og testinstitusjoner vil diskutere årsakene og løsningene for termisk løping av høy-nikkel-batterier ettersom det spesifikke energinivået til strømbatterier fortsetter å øke. Forum 2 handler om analyse av ulike solid-state batteri teknologi ruter og status quo.
System for å se termisk sikkerhet
Hele livssyklusen til et strømbatteri starter fra valg av materialsystem, til ferdigstillelse av battericellen, støping av moduler og PAKKER, batteristyring etter installasjon og påføring, til bruk i kjøretøydrift.
Grunnårsaken til termisk løping er battericellen. De positive og negative elektrodene er"sikringen" og elektrolytten er"drivstofflagring". Den trenger bare en"gnist" å forårsake termisk løping eller brann.
& quot;Gnister" enten kommer fra innsiden av cellen eller oppstår fra utsiden. Interne faktorer refererer hovedsakelig til ustabile faktorer som genereres under batteridesign og produksjon; eksterne faktorer refererer hovedsakelig til årsaker forårsaket av personell og eksterne forhold under batteritransport, installasjon og drift og vedlikehold.
Den termiske sikkerhetsfeilen til batteriet er hovedsakelig forårsaket av lokal overoppheting, som forårsaker en kortslutning inne i batteriet, eller en mikrokortslutning forårsaker skade på batterimembranen og kortslutning i større område.
Litium-ion-batterier er oppgradert fra NCM111 og NCM523 til NCM622 og NCM811. Nikkelinnholdet i det positive elektrode-ternære materialet fortsetter å øke, oksygenfrigjøringstemperaturen fortsetter å synke, og den termiske stabiliteten til det positive elektrodematerialet blir verre og verre. Nedgangen i oksygenfrigjøringstemperaturen betyr at litiumbatteriet er mer varmebestandig. Når temperaturen øker, endres det positive elektrodematerialet fra en lagdelt struktur til en spinellstruktur, og danner deretter steinsalt og frigjør aktivt oksygen. Veksten av steinsalt og frigjøring av oksygen er de grunnleggende problemene forårsaket av termisk løping.
Elektrokjemisk misbruk er det mest hodepineproblemet for battericellefabrikker. Under forhold med misbruk som termisk sjokk, overlading og overutladning, vil det aktive materialet og elektrolytten inne i batteriet produsere litiumdendritter, som gjennomborer membranen og forårsaker en intern kortslutning. Litiumutvikling i den negative elektroden er en viktig årsak til veksten av litiumdendritter. Derfor er hvordan man kan forhindre litiumdendritter et viktig spørsmål.
Kortslutningen til de positive og negative elektrodene forårsaket av svikt i diafragma er en viktig del av termisk løping. Når sikkerhetsfilmen til SEI-filmen er ødelagt, reagerer elektrolytten med elektroden for å generere varme, som vil smelte membranen. Dessuten er fienden mot diafragma litiumdendritter, som truer dens integritet og stabilitet.
I tillegg til batterisvikt forårsaket av intern kortslutning, overlading, batterialdring osv., vil mekanisk feil under ekstreme forhold som ekstern kortslutning, ekstrudering, brann, nedsenking og simulert kollisjon også bli konvertert til intern kortslutning og forårsake elektrisk feil, som til slutt vil føre til termisk løping.
Noen feil og ytelsesforringelser som kan oppstå i løpet av batteriets's fulle livssyklus vil føre til at batteriene brukes utenfor det sikre bruksområdet og forårsake noen sikkerhetsulykker.
Batterifabrikk og OEM jobber sammen
De interne og eksterne årsakene til termisk løping krever samarbeid fra batteriprodusenter og OEM-er for å gi en helhetlig løsning, inkludert positive og negative materialer, separatorer, elektrolytt, batteristyring og PACK-strukturdesign.
For batterifabrikker, se etter høytrykks- og høytemperaturbestandige flammehemmende elektrolytter, høytemperaturbestandige enkrystallkatodematerialer, anodematerialer som hemmer litiumdendritter, eller bruk NMC811-katoder belagt med safeners for å forbedre tørrheten. Anvendelsen av den franske diafragmaen introduserer en keramisk diafragma for å undertrykke termisk løping på cellenivå.
For OEM-er er det langt fra nok å ta hensyn til sikkerheten til selve batteriet. I tillegg til selve batteriets problemer, er elektrisk tilkobling av batteri, mekanisk sikkerhet, ladetilkobling, daglig bruksproblemer og rask håndtering av problemer kjernen i elektrisk kjøretøysikkerhet.
OEM's sikkerhetssystem for strømbatteri er designet og verifisert fra fire aspekter: monomer, modul, BMS og system. På den ene siden sørger batteriprodusentene selv for sikkerhet fra design- og produksjonsleddene. På den annen side vurderer OEM-er mekanisk, elektrisk og termisk sikkerhet fra modulsikkerhetsperspektivet, for eksempel sikkerhetsavstand, kraftdesign og beskyttelse.
Når det gjelder monteringsstruktur, må OEM-er vurdere ulike driftsforhold for kjøretøyet, så vel som kjølerørledninger, nye kjøleteknologier, tidlig varsling om termisk løping og ikke-spredning. Samtidig skal de vurdere aktiv brannslukking og hvordan brannslokking gjennom utvendige konstruksjoner.
OEM-er tenker generelt på hvordan de kan forbedre utformingen av batteripakkens sikkerhet fra systemnivå. Enten det er positive og negative elektrodematerialer, elektrolytter, membraner, den strukturelle designen, kjøling, termisk styring og forsiktighetsadvarsler til PACK etter gruppen er alle gjenstandene for OEM-analyse.
Sikkerheten til litiumbatterier er et stort tema, som involverer alle aspekter fra materialer, produksjon til applikasjoner. Å sikre den termiske sikkerheten til elektriske kjøretøy krever samarbeid fra OEM-er, batterifabrikker og testinstitusjoner for å analysere mekanismen for termisk løping og utforske ny teknologi for å forsinke forekomsten av termisk løping.
Ulike lyder av solid-state batterier
Foroverbevegelsen til elektriske kjøretøy indikerer at den spesifikke energistandarden til strømbatterier ikke vil gå bakover. Anvendelsen av positive og negative materialer med høyt potensial har blitt en trend, og NCM811 og silisiumkarbonanoder dukker i økende grad opp i de tekniske rutene til batterifabrikker. Men brannfaren truer fortsatt bruken av høy-nikkel-batterier. Derfor har batteriprodusenter og OEM-er rettet oppmerksomheten mot flammehemmende, høytrykksbestandige solid-state elektrolytter, i håp om å løse problemet med balansen mellom spesifikk energi og sikkerhet.
Men på denne Kina-Japan-Korea-konferansen er synspunktene til de kinesiske og japanske gjestene om forskning og bruk av solid-state-batterier svært forskjellige, noe som utfordrer industriens's iboende syn på solid-state-batterier . I forhold til den samordnede innsatsen til stedet for høy-nikkel-sikkerhetsløsninger, går solid-state-batteristedet fremover i forskjeller.
Japans 30-årige solid-state batteriekspert Dr. Tadahiko Kubota, Japans tidligere Toyota og Honda batterikjerneekspert Ogi Eiki, kommenterer den nåværende tilstanden til solid-state batteriforskning kan beskrives som"pessimistisk". ;. Det er ganske vanskelig for solid-state-batterier å brukes på elektriske kjøretøy. På den annen side jobber innenlandske batterifabrikker som Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Chinese Academy of Sciences, Tongji University og Shanghai Jiaotong University alle utrettelig med solid-state batterier.
Meningene til japanske eksperter kan oppsummeres som følger: Toyota Sulfide er fortsatt i forsknings- og utviklingsstadiet, og masseproduksjon er umulig med det nåværende teknologinivået. Den opprinnelige intensjonen med å utvikle solid-state batterier var å redusere batteriene for hybridbiler. Omverdenen tror feilaktig at solid-state-batterier brukes i elektriske kjøretøy. Dette er forskjellen mellom Toyota's interne tenkning og den eksterne opinionen.
Sikkerhetsmessig kan solid-state batterier også produsere litiumdendritter, og sikkerheten er svært bekymringsfull. Og å bedømme sikkerheten kan ikke bedømmes ut fra om elektrolytten er brannfarlig. Det viktigste problemet er den direkte kontakten mellom den positive elektroden og den negative elektroden med høy energitetthet.
All-solid-state batterier kan øke energitettheten, en av grunnene er at eksterne materialer kan reduseres. Men dette er ikke bare en karakteristisk karakteristikk av hel-solid-state batterier.
Når det gjelder hurtiglading, har Toyota's papir og de fleste forskere ikke bekreftet noen bevis for at alle solid state-batterier kan hurtiglades. De sa alle at litiumdendritter dannes under lading. Jo flere som forstår all-solid-state-batterier, jo mer benekter de at de kan lades raskt.
De fleste av Toyota's patenter det siste tiåret er relatert til impedans. Den har studert dette problemet siden ti år siden, og det er fortsatt et stort problem.
Utsikt over innenlandske batterifabrikker: Spredningen av ekte branner er direkte relatert til organiske flytende elektrolytter. Faste elektrolytter som spenner fra polymerer til keramiske elektrolytter kan forbedre batterisikkerheten i varierende grad. Når det gjelder sikkerhet og energitetthet, har solid-state-batterier blitt forbedret sammenlignet med konvensjonelle tradisjonelle litium-ion-batterier tidligere. Forutsetningen er at vi må ha god teknologi for å løse problemet med grensesnittet, og sikre at den faste elektrolytten kan tilpasse seg batteridesignet og oppfylle kravene til energibatterier med høyt forhold.
Vi tror at solid-state batterier har fordeler i noen aspekter. Når membran og elektrolytt erstattes med faste stoffer, vil det ha høyere sikkerhet. Når sikkerhetsterskelen for hele systemet økes, kan dette systemet bruke positive og negative materialer med høyt potensial, som for eksempel litiummetall negative elektroder, og vil ha høyere energitetthet i fremtiden.
Dagens tankegang er å være kompatibel med eksisterende litiumbatteriutstyr og litiumbatteriteknologi så mye som mulig, og å redusere kostnadene så mye som mulig. Fordi solid-state-batterier har høy energitetthet og høy sikkerhet, kan de brukes først i noen spesielle situasjoner.
Energitetthetsfordelen til solid-state-batterier er relativt ikke åpenbar på cellenivå, og er mer fremtredende på PACK-nivå. Innen 2021 vil solid-state-batterier bruke aktive materialer med høyere utnyttelsesgrad, og energitettheten på cellenivå vil være den samme som for flytende batterier, og deretter gradvis overgå den.
Selv om innenlandske og utenlandske eksperter har tvister om energitettheten og sikkerheten til solid-state-batterier, tror de i utgangspunktet at kommersiell bruk av solid-state-batterier er en lang prosess for å løse noen av manglene ved flytende batterier. Derfor kan solid-state-batterier importeres fra motorsykkel- og forbrukerelektronikk-feltet først, og deretter gå inn i elektrisk kjøretøy-feltet når de tre dimensjonene sikkerhet, ytelse og kostnad er modne.
