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#Neues aus der Industrie
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BMS-Systemgesteuertes Objekt Kernwissen - Überladung
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Konzeptüberladung oder Überladung ist eine Art von Missbrauch von Lithium-Ionen-Batterien, bei der die Ladespannung einer Lithium-Ionen-Batterie zu hoch über ihrer Ladeschlussspannung liegt.
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Konzeptüberladung oder Überladung ist eine Art von Lithium-Ionen-Akku-Missbrauch, bei dem die Ladespannung eines Lithium-Ionen-Akkus zu hoch über seiner Ladeschlussspannung liegt. Beim Laden von Lithium-Ionen-Batterien wird normalerweise eine Ladeschlussspannung festgelegt. Um ein Überladen der Batterie zu vermeiden, muss das Verfahren mit konstantem Strom und konstanter Spannung durchgeführt werden. Unter besonderen Umständen, wie z. B. bei einem BMS-Schaden, einer Fehlfunktion usw., kann es jedoch zu einer Überladung der Lithium-Ionen-Batterie kommen, was zu Schäden an der Batterieleistung und zu Sicherheitsproblemen führt. Kontinuierliches Überladen mit einer hohen Rate führt zu einem Anstieg der Akkutemperatur und des Innendrucks, was sich in schwerwiegenden Fällen verheerend auf die Leistung und das Aussehen des Akkus auswirkt, wie z. B. Auslaufen, Ausbeulen des Bodens, erhöhter Innenwiderstand des Akkus und verkürzte Entladezeit und Zyklusdauer.
Das Prinzip ist bekannt: die Differenz zwischen dem positiven und dem negativen Potenzial der Batteriespannung. Beim Laden steigt das positive Potenzial, das negative Potenzial sinkt.
Die Reaktionsformel lautet wie folgt:
reaktion der positiven Elektrode:
negative Elektrodenreaktion:
x entspricht der Menge an entferntem/eingebettetem Lithium im positiven Elektroden-/Kathodenmaterial. Die Beziehung zwischen positivem und negativem Lithiumgehalt und Spannung sowie die Beziehung zwischen Batteriespannung und positiver und negativer Spannung sind in Abbildung 1 dargestellt. 4.2 V ist die gebräuchlichste Vollladespannung von Lithium-Ionen-Batterien, und die Inkonsistenz wird geringer sein, wenn sie in einer Gruppe verwendet wird.
Abb. 1 Beziehung zwischen Lithiumgehalt und Spannung der positiven und negativen Elektroden, die Beziehung zwischen Batteriespannung und Spannung der positiven und negativen Elektrode
Bei einer Überladung können der positive und negative Elektrolyt im Inneren der Batterie an einer Nebenreaktion teilnehmen. Die Nebenreaktion geht in der Regel mit einem Kapazitätsverlust der Batterie und einer Änderung des Innenwiderstands einher, was zu hohen Temperaturen, Blähungen und schließlich zu einer Explosion führen kann. Im Einzelnen sind die Nebenreaktionen, die in verschiedenen Materialien auftreten, unterschiedlich.
graphitkathode Überladungsreaktion Batterie in der Überladung, Lithium-Ionen sind leicht reduziert auf der negativen Oberfläche abgeschieden: die abgeschiedenen Lithium beschichtet in der negativen Oberfläche, die Blockierung der Einbettung von Lithium. Dies führt zu einem Verlust der Entladeeffizienz und der Kapazität, die Gründe dafür sind:
die Menge des zirkulierenden Lithiums reduziert;
das abgeschiedene Lithiummetall und das Lösungsmittel oder der Trägerelektrolyt reagieren und bilden Li2CO3, LiF, oder andere Produkte;
lithium-Metall wird in der Regel zwischen dem Negativ und der Membran gebildet, kann die Membranpore blockieren, um den Innenwiderstand der Batterie zu erhöhen;
aufgrund der Natur von Lithium ist sehr aktiv, leicht mit dem Elektrolyten zu reagieren und Elektrolyt zu verbrauchen. Dies führt zu einer Verringerung der Entladeeffizienz und einem Kapazitätsverlust. Schnelles Laden, übermäßige Stromdichte, starke Polarisierung der negativen Elektrode, Lithiumablagerung wird deutlicher. Dies kann auftreten, wenn es einen Überschuss an positiven Aktivierungen im Verhältnis zu negativen Aktivierungen gibt. Bei hohen Ladegeschwindigkeiten kann es jedoch zu Lithium-Metallablagerungen kommen, auch wenn das Verhältnis von positiven und negativen reaktiven Spezies normal ist.
Anodale Überladungsreaktion
Eine anodische Überladung kann auftreten, wenn das Verhältnis von positiven zu negativen aktiven Spezies im Verhältnis zu den negativen aktiven Spezies zu gering ist.
Der Kapazitätsverlust durch anodische Überladung ist hauptsächlich auf die Bildung von elektrochemisch inerten Substanzen (z. B. Co3O4, Mn2O3 usw.) zurückzuführen, die das Kapazitätsgleichgewicht zwischen den Elektroden stören, und der Kapazitätsverlust ist irreversibel. Auch die übermäßige Entfernung von Lithium kann zu einem Strukturkollaps führen. Bei konventionellem Lithiumkobaltat, ternär, beträgt die maximale Menge an Lithiumentzug etwa 50%; bei der stabileren Struktur von Lithiumeisenphosphat vom Olivintyp beträgt die maximale Menge an Lithiumentzug etwa 80%.
① LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4 + O2(g)]+yLiCoO2 y<0,4
Gleichzeitig wird der Sauerstoff, der durch die Zersetzung der Kathodenmaterialien in einer versiegelten Lithium-Ionen-Batterie entsteht, aufgrund des Fehlens von Rekombinationsreaktionen (z. B. zur Erzeugung von H2O) und der gleichzeitigen Ansammlung von brennbaren Gasen, die durch die Zersetzung des Elektrolyten entstehen, unvorstellbare Folgen haben.
② λ-MnO2
die Lithium-Mangan-Reaktion läuft im Zustand des Lithium-Mangan-Oxids vollständig entlithiumisiert ab: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)
die Elektrolyt-Oxidationsreaktion bei der Überladung
Wenn der Druck höher als 4,5 V ist, wird der Elektrolyt oxidieren und unlösliche Substanzen (wie Li2Co3) und Gas erzeugen. Diese unlöslichen Substanzen verstopfen die Poren der Elektrode und behindern die Wanderung der Lithium-Ionen, was zu einem Kapazitätsverlust während des Zyklus führt. Faktoren, die die Oxidationsrate beeinflussen:
der Oberflächenbereich des Anodenmaterials
das Kollektormaterial
das zugesetzte Leitmittel (Ruß usw.)
Arten von Ruß und Größe der Oberfläche
Von den heute gebräuchlichen Elektrolyten gilt EC/DMC als derjenige mit der höchsten Oxidationsbeständigkeit. Der elektrochemische Oxidationsprozess einer Lösung wird im Allgemeinen wie folgt ausgedrückt: Lösung → Oxidationsprodukte (Gase, Lösungen und Feststoffe) + ne - Die Oxidation eines beliebigen Lösungsmittels erhöht die Elektrolytkonzentration und verringert die Stabilität des Elektrolyten, was letztendlich die Kapazität der Batterie beeinträchtigt. Die Reaktion ist komplizierter, wenn eine Überladung der gesamten Batterie auftritt. Am Beispiel der 40Ah NCM111+LMO/Gr-Batterie sind die Änderungen der Spannung, der Temperatur und des Innenwiderstands während des Überladevorgangs in Abbildung 2 dargestellt, die grob in vier Stufen unterteilt werden können.
Stufe 1: 1
Stufe 2: 1,2
Stufe 3: 1,4
Stufe 4: SOC>1,6, der Innendruck der Batterie überschreitet den Grenzwert, die Hülle bricht zusammen, das Diaphragma schrumpft und verformt sich, und die Batterie läuft thermisch durch. Ein Kurzschluss tritt im Inneren der Batterie auf, eine große Menge an Energie wird schnell freigesetzt und die Temperatur der Batterie steigt stark auf 780℃ an. Die Nebenreaktionen in jeder Phase der Überladung sind in Abbildung 3 dargestellt.
Referenzen: D.Ren et al. / Journal of Power Sources.