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Die Wichtigkeit der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

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Die Wichtigkeit der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

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Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter den chemischen Energiespeichern durch ihre hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer aus. Aufgrund ihrer ausgereiften Technologie sind sie im Bereich der tragbaren elektronischen Produkte weit verbreitet. Mit Unterstützung der nationalen Politik wächst auch die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in den Bereichen Elektrofahrzeuge und groß angelegte Energiespeicherung explosionsartig.

Lithium-Ionen-Batterien sind im Allgemeinen sicher, aber es gibt Berichte über Sicherheitsunfälle, die der Öffentlichkeit präsentiert werden. Berühmte Beispiele sind die Batteriebrände in Boeing 737- und B 787-Flugzeugen in den letzten Jahren sowie die Brände im Tesla Model S. Bis heute ist die Sicherheit ein Schlüsselfaktor, der die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien in Hochenergie- und Hochleistungsbereichen einschränkt. Thermisches Durchgehen ist nicht nur die Hauptursache für Sicherheitsprobleme, sondern auch eine der Schwachstellen, die die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien einschränken.

Die potenziellen Sicherheitsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien beeinträchtigen das Vertrauen der Verbraucher erheblich. Obwohl erwartet wird, dass BMS die Sicherheitsbedingungen genau überwachen und das Auftreten bestimmter Fehler vorhersagen kann, ist die Situation des thermischen Durchgehens komplex und vielfältig, und es ist schwierig für ein einzelnes technisches System, alle Sicherheitsbedingungen während des Lebenszyklus zu gewährleisten. Daher ist es für eine sichere und zuverlässige Lithium-Ionen-Batterie nach wie vor notwendig, die Ursachen des thermischen Durchgehens zu analysieren und zu untersuchen.

Zu den chemischen Reaktionen, die an der Entstehung des thermischen Durchgehens beteiligt sind, wurden in der thermischen Analyse bereits zahlreiche Studien durchgeführt, die in diesem Artikel nicht weiter vertieft werden sollen. In diesem Artikel werden anhand der Lebenslinie von Leistungsbatterien die Faktoren und Lösungen erläutert und analysiert, die die Sicherheitsleistung einer Lithium-Ionen-Batterie während ihres Lebenszyklus einschränken, um so eine wertvolle Grundlage für die Untersuchung von Sicherheitsfragen zu schaffen.

1 Material der Batteriezelle

Die interne Zusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien besteht hauptsächlich aus der positiven Elektrode, dem Elektrolyt, dem Separator und der negativen Elektrode. Darauf aufbauend werden die Elektrodenohren verschweißt und die Außenverpackung zu einer kompletten Batteriezelle verpackt. Nach den ersten Schritten des Ladens und Entladens, der Formierung und der kapazitiven Trennung der Batteriezelle kann sie im Werk eingesetzt werden. Der erste Schritt in diesem Prozess ist die Auswahl der Materialien. Die wichtigsten Faktoren, die sich auf die Sicherheit der Materialien auswirken, sind ihre intrinsische orbitale Energie, ihre Kristallstruktur und ihre Materialeigenschaften

1.1 Material der positiven Elektrode

Die Hauptaufgabe der aktiven Materialien der positiven Elektrode in Batterien besteht darin, zur spezifischen Kapazität und zur spezifischen Energie beizutragen, und ihr intrinsisches Elektrodenpotenzial hat einen gewissen Einfluss auf die Sicherheit. In den letzten Jahren wurde Lithiumeisenphosphat, ein Material für mittlere und niedrige Spannungen, in großem Umfang als positives Elektrodenmaterial für Leistungsbatterien in Transportfahrzeugen (z. B. Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVS) und Elektrofahrzeuge EVS) und Energiespeichern (z. B. unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) weltweit eingesetzt.

Der Sicherheitsvorteil, den Lithium-Eisen-Phosphat in vielen Materialien aufweist, geht jedoch auf Kosten der Energiedichte, was die Lebensdauer seiner Nutzer (z. B. EVS, USV) einschränkt. Obwohl ternäre Materialien eine ausgezeichnete Energiedichte aufweisen und sich als ideale positive Elektrodenmaterialien für Leistungsbatterien eignen, sind ihre Sicherheitsaspekte noch nicht vollständig geklärt.

Um das thermische Verhalten von positiven Elektrodenmaterialien zu untersuchen, haben Forscher viel Arbeit geleistet und herausgefunden, dass das intrinsische Elektrodenpotenzial und die Kristallstruktur die Hauptfaktoren sind, die ihre Sicherheit beeinflussen. So wirkt sich beispielsweise die perfekte Übereinstimmung zwischen dem Potenzial des positiven Elektrodenmaterials und dem höchsten Molekularorbital, das vom HOMO des Elektrolyten besetzt wird, direkt auf die Stabilität des Elektrolyten aus;

Die Anfangstemperatur und die Wärmefreisetzung bei Reaktionen zwischen verschiedenen positiven Elektrodenmaterialien und Elektrolyten können variieren, je nachdem, ob mehrere Lithiumionen gleichzeitig reibungslos durch das Gitter wandern können. Durch die Auswahl der Materialtypen und der Elementdotierung, die Auswahl von Materialien, die zum elektrochemischen Fenster des Potenzials und des Elektrolyten passen, höhere Anfangsreaktionstemperaturen und eine geringere Reaktionswärmeabgabe aufweisen, kann die Sicherheitsleistung der Batteriezelle aus Sicht der aktiven Materialien der positiven Elektrode verbessert werden.

1.2 Negative Elektrodenmaterialien

Der Einfluss der aktiven Materialien der negativen Elektrode auf die Sicherheitsleistung ergibt sich hauptsächlich aus der Beziehung zwischen ihrer intrinsischen orbitalen Energie und der Elektrolytkonfiguration. Während des schnellen Ladevorgangs kann die Geschwindigkeit, mit der Lithiumionen die SEI-Schicht durchdringen, langsamer sein als die Ablagerungsgeschwindigkeit von Lithium auf der negativen Elektrode. Die Lithiumdendriten wachsen mit den Lade- und Entladezyklen weiter an, was zu internen Kurzschlüssen und zur Entzündung brennbarer Elektrolyte führen kann, was wiederum einen thermischen Durchschlag zur Folge hat. Diese Eigenschaft schränkt die Sicherheit der negativen Elektrode während des Schnellladevorgangs ein.

Neben dem Wachstum von Lithiumdendriten ist auch die Reaktion zwischen dem Material der negativen Elektrode und dem Elektrolyten ein wichtiger Faktor, der die Sicherheit beeinträchtigt. Bei etwa 100 ℃ können exotherme Spitzen von in Lithium eingebettetem Graphit und Elektrolyt beobachtet werden, was auch als Zersetzungsreaktion des SEI-Films angesehen wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Zunahme der spezifischen Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials.

Nach der Zersetzung der SEI-Folie reagiert das in die negative Elektrode eingebettete Lithium weiterhin mit dem Elektrolyten und dem Bindemittel, um Wärme freizusetzen, und die Reaktionswärme steigt mit der Zunahme der eingebrachten Lithiummenge. Durch die Verbesserung der thermischen Stabilität von SEI, die Verringerung der spezifischen Oberfläche der negativen Elektrodenmaterialien und die Verringerung der eingebetteten Lithiummenge kann die Leistung der Batteriezelle auch aus der Sicht der negativen Elektrodenmaterialien verbessert werden.

1.3 Elektrolyte und Membranen

Der Einfluss von Elektrolyten und Separatoren auf die Sicherheit ist hauptsächlich auf ihre Eigenschaften zurückzuführen. Obwohl die thermische Stabilität von Lithiumsalzen ein grundlegender Faktor für die thermische Stabilität von Elektrolyten ist, ist ihr Einfluss auf die Sicherheit von Batterien aufgrund ihrer relativ geringen Zersetzungsreaktionswärme begrenzt. Die Entflammbarkeit und der flüssige Zustand der weit verbreiteten kommerziellen Elektrolyte sind wichtige Faktoren, die die Sicherheit beeinflussen.

Darüber hinaus sind die Verwendung von Elektrolyten mit breiteren elektrochemischen Fenstern (insbesondere mit höherem LUMO) und die Zugabe von flammhemmenden Materialien zum Elektrolyten, wie z. B. die Umwandlung von gemischten ionischen Flüssigkeiten und organischen Flüssigelektrolyten in nicht entflammbare Elektrolyte, wirksame Möglichkeiten zur Verbesserung der Sicherheit. Die mechanische Festigkeit (Zug- und Durchstoßfestigkeit), die Porosität, die Gleichmäßigkeit der Dicke und die Bruchtemperatur des Diaphragmas sind wichtige Faktoren, die seine Sicherheit bestimmen.

Die Anwendung keramischer Beschichtungen auf Membranen kann die mechanische Festigkeit der ursprünglichen Membran erhöhen, so dass die Membran eine hervorragende Leistung in Bezug auf Hochtemperaturbeständigkeit, Durchstoßfestigkeit und Dickenreduzierung aufweist. Die Temperatur, bei der die mikroporöse Struktur geschlossen wird, ob zu hoch oder zu niedrig, kann die Leistung der Batteriezelle beeinträchtigen. Daher ist es notwendig, die Zusammensetzung des Membranpolymers und die optimale Konfiguration der porösen Struktur umfassend zu berücksichtigen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Bruchtemperatur höher ist als die Unterbrechungstemperatur.