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Thermisches Durchgehen der Energiespeicherbatterie

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Thermisches Durchgehen der Energiespeicherbatterie

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1.Mögliche Ursachen des thermischen Durchgehens

Bei Energiespeicherbatterien kommt es unter Missbrauchsbedingungen im Allgemeinen zu thermischem Durchgehen, wobei die üblichen Missbrauchsbedingungen in drei Kategorien unterteilt werden: mechanischer Missbrauch, elektrischer Missbrauch und thermischer Missbrauch.

Das häufigste Auftreten von Thermal Runaway ist auf elektrischen Missbrauch zurückzuführen. Unter missbräuchlichen Betriebsbedingungen setzen Lithium-Ionen-Batterien nicht nur Reaktionswärme, ohmsche Wärme und Polarisationswärme frei, sondern auch Wärme, die durch interne Kurzschlüsse und Wärme, die durch Reaktionen freigesetzt wird. Die durch interne Kurzschlüsse und Nebenreaktionen freigesetzte Wärme (einschließlich der Zersetzung der SEI-Membran, der Reaktion der positiven und negativen Elektroden, der Auflösung der Membran und der Zersetzung des Elektrolyten) ist viel größer als die unter normalen Betriebsbedingungen erzeugte Wärme, was zu einem raschen Anstieg der Batterietemperatur und leicht zu einer unkontrollierten Erwärmung führen kann

(1) Mechanischer Missbrauch

Das Hauptmerkmal des mechanischen Missbrauchs ist die relative Verschiebung von Batteriezellen und -modulen durch äußere Kräfte. Zu den wichtigsten Formen für Batteriezellen (Monomere) gehören Kollision, Kompression und Punktion. Auf der Ebene der Module (Batteriepacks) müssen auch Vibrationsprobleme berücksichtigt werden.

Bei mechanischem Missbrauch ist die gefährlichste Form die Punktion, bei der der Leiter in den Batteriekörper eingeführt wird und einen direkten Kurzschluss zwischen dem positiven und dem negativen Pol verursacht. Im Vergleich zu Kollisionen, Quetschungen und anderen Situationen, in denen interne Kurzschlüsse nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auftreten, ist die Wärmeentwicklung während des Durchstoßens intensiver, was zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer Durchschlagserhitzung führt

(2) Missbrauch von Elektrizität

Elektrischer Missbrauch umfasst im Allgemeinen mehrere Formen wie Überladung, Überentladung oder externe Kurzschlüsse, wobei Überladung am ehesten zu thermischem Durchgehen führt. Aufgrund des hohen Energiegehalts von Batterien ist die Überladung die schädlichste Form des elektrischen Missbrauchs, und die Erzeugung von Wärme und Gas sind zwei gemeinsame Merkmale des Überladungsprozesses. Die Erwärmung entsteht durch ohmsche Wärme und Nebenreaktionen.

Erstens wachsen durch übermäßiges Einbringen von Lithium Lithiumdendriten auf der Anodenoberfläche, und das stöchiometrische Verhältnis zwischen Kathode und Anode bestimmt, wann die Lithiumdendriten zu wachsen beginnen. Zweitens führt eine übermäßige Ablösung von Lithium zum Zusammenbruch der positiven Elektrodenstruktur aufgrund von Erhitzung und Sauerstofffreisetzung, was die Zersetzung des Elektrolyten beschleunigt und eine große Menge Gas erzeugt. Aufgrund des Anstiegs der inneren Kraft öffnet sich das Sicherheitsventil und die Batterie wird geöffnet. Nachdem die aktive Substanz in der Batteriezelle mit Luft in Berührung gekommen ist, reagiert sie heftig und setzt eine große Menge

(3) Hitzemissbrauch

Wärmemissbrauch tritt selten unabhängig auf und entwickelt sich oft aus mechanischem und elektrischem Missbrauch und ist letztlich ein Teil des Kontakts mit der Durchgangshitze. Lokale Energie ist eine typische Situation für thermischen Missbrauch, die in Batteriepacks auftritt. Neben der Überhitzung durch mechanischen und elektrischen Missbrauch hat sich bestätigt, dass Überhitzung auch durch lose Anschlusskontakte verursacht werden kann

2.Prozess des thermischen Durchgehens

Der Prozess des thermischen Durchgehens bei Lithium-Ionen-Batterien lässt sich im Allgemeinen wie folgt zusammenfassen: ① Zersetzung des SEI; ② Reaktion der in das Lithium eingebetteten negativen Elektrode mit dem Elektrolyten; ③ Schmelzen der Membran; ④ Zersetzungsreaktion der positiven Elektrode; ⑤ Zersetzungsreaktion des Elektrolyten; ⑥ Verdampfen und Verbrennen des Elektrolyten.

1) Während der ersten Phase des normalen Ladevorgangs ist die Oberflächentemperatur der Batterie relativ niedrig (26-30 °C). Die Lithium-Ionen lösen sich normalerweise von der positiven Elektrode und dringen in die negative Elektrode ein, was zu einem langsamen Anstieg der Batteriespannung führt. Wenn die Batteriespannung etwa 3,6 V beträgt, neigt die negative Elektrode der Batterie zur Sättigung

2) Während der zweiten Phase der leichten Überladung steigt die Oberflächentemperatur der Batterie deutlich an (39-46 °C). Die positive Elektrode verliert stark an Lithium und die Lithium-Ionen neigen zur Sättigung, da sie in der negativen Elektrode eingebettet sind. Die Lithium-Ionen fallen auf der Oberfläche der negativen Elektrode aus und lagern sich im Randbereich der negativen Elektrode näher an der positiven Elektrode ab. Frühere Studien haben gezeigt, dass Lithiumdendriten, die sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ablagern, mit dem organischen Bindemittel der negativen Elektrode reagieren.

Frühere Studien haben gezeigt, dass Lithiumdendriten, die sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ablagern, mit dem organischen Bindemittel der negativen Elektrode reagieren, um einen Lithiumwasserstoff-Metallniederschlag und eine starke Lithiumentfernung von der positiven Elektrode zu erzeugen, was zu einem kontinuierlichen Anstieg der Batteriespannung führt.

3) In der dritten Stufe reagieren die Lithium-Dendriten mit dem Elektrolyten und erzeugen Wärme, was zu einem Anstieg der Innentemperatur der Batterie führt. Wenn die Temperatur 90 ℃ übersteigt, wird die Zersetzung des SE-Films ausgelöst und Gas erzeugt

4) In der vierten Stufe, wenn die Innentemperatur der Lithium-Ionen-Batterie etwa 130 ℃ erreicht, schmilzt der Separator, was einen großflächigen Kurzschluss in der Batterie verursacht und Wärme erzeugt. Die hohe Temperatur, die durch die Wärmeakkumulation verursacht wird, bildet eine positive Rückkopplung auf die interne Reaktion, die Gas erzeugt, und die Batterie beginnt, unkontrollierbare selbstbeschleunigende Reaktionen zu durchlaufen, wodurch die Temperatur der Batterie weiter ansteigt.

Im Bereich von 200-300 ℃ wird der Elektrolyt selbst Zersetzungsreaktionen unterzogen, bei denen Gas entsteht, was letztlich zu Brand- und sogar Explosionsunfällen führt. Der Schaden, der durch das thermische Durchgehen einer einzelnen Batterie verursacht wird, ist im Allgemeinen begrenzt, aber im Anwendungsszenario von Energiespeicherkraftwerken ist die Anzahl der einzelnen Batterien groß und eng angeordnet. Kommt es bei einer einzelnen Batterie zu einem thermischen Durchgehen, kann die erzeugte Wärme auf die umliegenden Batterien übertragen werden, wodurch sich das thermische Durchgehen ausbreitet und der Schaden vergrößert wird.

3.Charakteristische Parameter erkennen

1) Der Innenwiderstand der Batterie nimmt mit steigender Temperatur innerhalb des normalen Betriebstemperaturbereichs ab. Wenn die Batterie jedoch thermisch durchdreht und einen anormalen Temperaturanstieg verursacht, steigt ihr Innenwiderstand deutlich an. Die plötzliche Änderung des Batterie-Innenwiderstands kann jedoch auch durch andere Faktoren beeinflusst werden, z. B. durch externe Störungen oder schlechten Kontakt, was ebenfalls zu einem plötzlichen Anstieg des Batterie-Innenwiderstands führen kann. Daher ist es nicht möglich, allein anhand von Widerstandsänderungen festzustellen, ob eine Batterie thermisch durchgebrannt ist, und muss mit anderen charakteristischen Parametern kombiniert werden.

2) Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter für das thermische Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien, da es eine sich gegenseitig verstärkende Beziehung zwischen der Temperatur und den Nebenreaktionen gibt, wenn die Batterie ein thermisches Durchgehen erlebt, was eine positive Rückkopplung darstellt. Viele Batteriewarngeräte und Batteriemanagementsysteme sind mit Temperaturfühlern ausgestattet, die die Batterietemperatur überwachen. Sobald die Temperatur den voreingestellten Schwellenwert überschreitet, wird ein Alarmsignal ausgegeben oder es werden entsprechende Maßnahmen ergriffen.

Für die 18650-Lithium-Ionen-Batterie und den Akku-Pack wurde eine dreistufige Warnstrategie vorgeschlagen: Wenn die Batterietemperatur 50 ℃ überschreitet, nimmt die Kapazität ab, und die Temperatur steigt langsam im Bereich von 50-80 ℃ an, wobei 70-80 ℃ am langsamsten sind. Daher werden die dreistufigen Warntemperaturen auf 50 ℃, 70 ℃ bzw. 80 ℃ festgelegt. Diese Methode zur Überwachung der Oberflächentemperatur weist jedoch eine Hysterese auf, da die intern erzeugte Wärme eine gewisse Zeit benötigt, um sich an die Oberfläche zu übertragen, und während des Übertragungsprozesses auch eine Wärmeabgabe stattfindet (Wärmeaustausch zwischen der Batterie und der Umgebung).

3) Wenn sich die Batterie im Anfangsstadium des thermischen Durchgehens befindet, wird die Konzentration dieser charakteristischen Gase von Anfang an allmählich ansteigen, was auf eine signifikante Veränderung der Eigenschaften hinweist. Daher ist die Verwendung entsprechender Gassensoren zur frühzeitigen Warnung vor einem thermischen Durchgehen der Batterie ebenfalls ein wichtiger Weg.