Über die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

Über die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

Lithium-Ionen-Batterien sind die neuesten und am schnellsten kommerzialisierten Hochleistungsbatterien. Lithium-Ionen-Batterien werden derzeit aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile in verschiedenen Bereichen als neue Energiequellen eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Spannung, eine hohe spezifische Energie und ein gutes Zyklusverhalten aus und werden zunehmend auf dem 3-C-Markt, dem Markt für Elektrofahrzeuge (E V) und Hybridelektrofahrzeuge (HEV), in der Automobilbranche und in der Raumfahrttechnik eingesetzt. Obwohl die Sicherheit von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien im Vergleich zu Lithium-Metall-Sekundärbatterien stark verbessert wurde, gibt es immer noch viele versteckte Gefahren, wie z. B. die hohe spezifische Energie der Batterien und die meist organischen, brennbaren Elektrolyte. Wenn die Wärmeentwicklung von Batterien die Wärmeabfuhr übersteigt, können Sicherheitsprobleme auftreten.

Forschungsergebnissen zufolge können Lithium-Ionen-Batterien hohe Temperaturen (>700 ℃) erzeugen, die den Aluminiumkollektor unter missbräuchlichen Bedingungen zum Schmelzen bringen, was zu Rauchentwicklung, Entzündung, Explosion und sogar zu Personenschäden in der Batterie führen kann. Bei der Entwicklung und Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien bezieht sich die Sicherheit von Batterien daher nicht nur auf die Abwesenheit von Rauch, Feuer, Explosionen und anderen Phänomenen unter verschiedenen Testbedingungen, sondern vor allem darauf, dass das Personal unter den Missbrauchsbedingungen der Batterie nicht zu Schaden kommt. In diesem Artikel werden verschiedene Faktoren erörtert, die sich auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien auswirken, und zwar unter den Gesichtspunkten der Konstruktion, der Materialien, der Herstellung und der Einsatzbedingungen von Lithium-Ionen-Batterien.

1 Der Einfluss des Batteriedesigns auf die Sicherheit

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien wird durch ihre eigenen Eigenschaften bestimmt:

(1) Die Energiedichte der Batterie ist sehr hoch, und wenn es zu einer thermischen Durchzündungsreaktion kommt, kann die Freisetzung einer großen Wärmemenge leicht zu unsicherem Verhalten führen

(2) Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund der Verwendung organischer Elektrolytsysteme und der organischen Lösungsmittel, bei denen es sich um Kohlenwasserstoffe handelt, anfällig für Oxidation bei etwa 4,6 V, und die Lösungsmittel sind brennbar. Wenn ein Leck auftritt, kann die Batterie Feuer fangen, sogar brennen und explodieren

(3) Die Überladungsreaktion von Lithium-Ionen-Batterien kann zu einer Veränderung der Struktur des positiven Elektrodenmaterials führen, was eine starke Oxidation des Materials zur Folge hat, was wiederum eine starke Oxidation des Lösungsmittels im Elektrolyten verursacht. Dieser Effekt ist irreversibel, und wenn sich die durch die Reaktion erzeugte Wärme ansammelt, besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens.

1.1 Das Prinzip der Aktualität

Lithium-Ionen-Batterien haben eine große Kapazität, und das Risiko steigt exponentiell mit der Zunahme der Kapazität. Daher muss die Kompatibilität der aktiven Substanzen in der späteren Phase der Batterieentwicklung berücksichtigt werden. Mit fortschreitendem Zyklus nimmt die Batteriekapazität allmählich ab und der Innenwiderstand steigt, was zu erheblichen strukturellen Veränderungen an der positiven Elektrode im Vergleich zur negativen Elektrode führt. Diese Veränderungen führen dazu, dass sich die konventionelle Leistung der Batterie verschlechtert und sich das Aussehen im Laufe des Zyklus verändert.

Mit fortschreitendem Zyklus kommt es durch die Entnahme und Einlagerung von Lithium zu einer Volumenänderung der Partikel, was zu Gitterspannungen und einer Verschlechterung der Sicherheit führt. Oft können neue Batterien die Sicherheitstests bestehen, aber Batterien in der mittleren und späteren Nutzungsphase bestehen nicht unbedingt wieder die Sicherheitstests, weil die aktiven Substanzen wie positive und negative Elektroden während der Nutzung nicht übereinstimmen und metallisches Lithium in den späteren Nutzungsphasen ausfällt. Metallisches Lithium ist außergewöhnlich aktiv und reagiert leicht mit vielen anorganischen und organischen Substanzen. Daher kann die ungleichmäßige Oberfläche von Lithium bei elektrochemischen Zyklen leicht zu einer ungleichmäßigen Ablagerung von metallischem Lithium führen, Lithiumdendriten bilden und Sicherheitsprobleme verursachen. Um zuverlässige und sichere Lithium-Ionen-Stromversorgungsbatterien zu erhalten, muss bei der Entwicklung die Aktualität berücksichtigt werden, insbesondere die Sicherheit der Batterie in den späteren Phasen der Nutzung

1.2 Grundsatz der Zuverlässigkeit

Die Einsatzumgebung von Batterien ist sehr unterschiedlich, und verschiedene Batterien haben unterschiedliche Einsatzanforderungen. Selbst ein und dieselbe Nutzungsumgebung kann sehr unterschiedlich sein. Wichtiger ist die Frage, wie die Sicherheit von Batterien bei unsachgemäßem Gebrauch oder Missbrauch gewährleistet werden kann. Die Hitzebeständigkeit und Missbrauchsresistenz von Lithium-Ionen-Batterien verschlechtert sich bei langfristiger Nutzung. Um eine übermäßige Wärmeentwicklung durch physikalische oder chemische Reaktionen der Inhaltsstoffe aufgrund spezifischer Energiezufuhr in der Batterie während des Missbrauchs zu vermeiden, sollte eine gezielte Konstruktion für Batterien mit unterschiedlichen Strukturen gewählt werden.

Bei zylindrischen Batterien wird der PTC häufig als Überstromschutzkomponente eingesetzt. Durch das Vorhandensein eines Strombegrenzers (PTC), der zwischen dem Pluspol und der Elektrodenspule im Inneren der Batterie platziert ist, beginnt die Vorrichtung zu arbeiten und den Strom zu unterbrechen, wenn sich der Elektrolyt zersetzt und die Temperatur der Batterie während der Überladung schnell ansteigt.

Bei quadratischen Aluminiumschalenbatterien gibt es keine Strombegrenzungsvorrichtung im Inneren, und aufgrund der Weichheit und leichten Verformbarkeit von Aluminium kann die Sicherheit nur durch externe Vorrichtungen der Batterie gewährleistet werden; die Lithium-Ionen-Batterie aus Aluminium-Kunststoff-Verpackungsfolie hat zwar keine Strombegrenzungsvorrichtung im Inneren der Batterie, aber das sorgfältige Design in Verbindung mit externen Sicherheitsvorrichtungen macht die Batterie sicherer, insbesondere für die Verwendung in Mobiltelefonen. Diese Struktur wurde von den Herstellern von Polymerbatterien weitgehend übernommen.

Bei Lithium-Ionen-Batterien mit zylindrischer und quadratischer Stahlschalenstruktur aktiviert die obere Entlüftungsventilstruktur mit Sicherheitsdesign den Sicherheitsmechanismus, wenn sich eine große Menge Gas im Inneren der Batterie bildet. Zusätzlich zu dieser Funktion kann es auch die Temperatur der Batterie senken, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern. Bei Aluminium-Kunststoff-Folienbatterien gibt es aufgrund der weichen Aluminium-Kunststoff-Folie auf der Außenverpackung keine Schutzvorrichtung im Inneren der Batterie, so dass die Anforderungen an das Design der Batterie streng sind. Im Vergleich zu Batterien mit zylindrischem Stahlmantel wölbt sich jedoch bei unsachgemäßem Gebrauch und Missbrauch, wenn das durch chemische Reaktionen erzeugte Gas allmählich ansteigt, die Verpackungsfolie oder die Schweißposition der Aluminiumfolie aus und lässt Druck ab, wodurch die Sicherheit der Batterie gewährleistet wird.