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Über die thermische Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

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Über die thermische Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

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Im Bereich des nachhaltigen Verkehrs ist das Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) in Elektrofahrzeugen ein wichtiger Forschungsbereich, der für die Verbesserung der Effizienz des Energiesystems und die Gewährleistung der Sicherheit entscheidend ist. Wärmemanagementsysteme für Batterien (BTMS) spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, die LIBs innerhalb des optimalen Temperaturbereichs zu halten, was zur Optimierung der Batterieleistung und zur Verlängerung der Lebensdauer beiträgt. Dieser Bereich steht vor großen Herausforderungen, vor allem im Zusammenhang mit der Überhitzung und den Temperaturschwankungen von LIBs, die die Sicherheit und Leistung von Batterien beeinträchtigen, ihre Alterung beschleunigen und die Energiespeicherkapazität verringern können und in extremen Fällen sogar zu thermischem Durchgehen (TR) und Brand- oder Explosionsrisiken führen können.



Die Fortschritte bei den BTMS haben in Elektrofahrzeugen erhebliche Vorteile gebracht, wie z. B. eine genauere und einheitlichere Temperaturregelung, die die Effizienz und Zuverlässigkeit der Batterien verbessert; die Innovation von Phasenwechselmaterialien (PCM) und anderen BTMS-Technologien hat die Wärmeableitung und die Verhinderung des thermischen Durchgehens verbessert, was die Sicherheit und die Energiedichte der Batterien erhöht; die Untersuchung der Wärmeerzeugung in LIBs wird immer wichtiger, insbesondere ihre Auswirkungen auf die Batterieleistung und -sicherheit; es gibt derzeit mehrere innovative Methoden für das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen, aber es gibt immer noch wichtige Herausforderungen, die weitere eingehende Forschung erfordern.



1.Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien
Das Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Batterien ist entscheidend für ihren effizienten und sicheren Betrieb, insbesondere bei Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Es gibt drei Arten von Wärmemanagement: aktive, passive und hybride Systeme, jedes mit einzigartigen Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen geeignet sind.



Aktives System: Der Einsatz mechanischer oder elektrischer Mittel (z. B. Pumpen und Lüfter) zur Regulierung der Batterietemperatur, einschließlich Luft- und Flüssigkeitskühlung, hat eine gute Wärmeableitung zur Folge, erhöht jedoch den Stromverbrauch des Systems, verringert die Gesamteffizienz der Batterie und ist komplexer und kostspieliger im Design.



Passive Systeme: Sie nutzen Technologien wie PCM und Wärmerohre und stützen sich bei der Wärmeübertragung auf natürliche Prozesse wie Konduktion und Konvektion. Sie benötigen keine zusätzliche Energie, haben eine höhere Energieeffizienz und ein einfacheres Design, können aber bei hohen Wärmelasten oder extremen Temperaturen Probleme bereiten, und einige Materialien (wie PCM) können eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und nach dem Schmelzen auslaufen.



Hybrides System: Die Kombination aktiver und passiver Methoden, wie z. B. die Integration von PCM mit Luft- oder Flüssigkeitskühlsystemen, kann die Temperaturkontrolle verbessern und gleichzeitig den hohen Energieverbrauch vollständig aktiver Systeme vermeiden, erfordert jedoch eine sorgfältige Konstruktion und fortschrittliche Technik, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Energieeffizienz und Effektivität des Wärmemanagements zu erreichen.



Bei der Auswahl eines geeigneten Wärmemanagementsystems müssen Faktoren wie Batteriegröße, Lebensdauer und Lade-/Entladerate berücksichtigt werden. Neue Materialien wie Nano-PCMs und fortschrittliche Kühl- und Heiztechnologien verbessern die Effizienz und Sicherheit dieser Systeme und tragen dazu bei, den Einsatz von Batterien in verschiedenen Anwendungen zu erhöhen, die Kosten zu senken und die Nutzung sauberer und nachhaltiger Energiequellen zu fördern. Eine weitere Herausforderung ist die Integration und Kompatibilität dieser Systeme mit dem Gesamtkonzept der Elektrofahrzeuge oder Speichersysteme. In vielen Studien wurden verschiedene konstruktive Verbesserungen vorgeschlagen, um die Effizienz von BTMS zu erhöhen.



BTMS sind mit erheblichen Herausforderungen verbunden, insbesondere unter rauen Betriebsbedingungen. Eine wesentliche Einschränkung ist die geringe Wärmeleitfähigkeit von PCMs, die zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezellen führt und negative Auswirkungen auf die Leistung und Effizienz von LIBs hat. In extremen Fällen, z. B. bei Entladeraten von über 1 °C oder Umgebungstemperaturen von über 35 °C, kann sich dieses Problem noch verschärfen, und der Temperaturunterschied zwischen einzelnen Zellen kann weniger als 3 °C betragen, was sich erheblich auf die Leistung und Haltbarkeit von LIBs auswirkt.



Darüber hinaus haben aktuelle BTMS auch erhebliche Einschränkungen, insbesondere bei Schnellladeszenarien und hohen Umgebungstemperaturen, was zu einer geringen Effizienz des Wärmemanagements und einem erhöhten Risiko von TR führen kann.



2.Innovationen bei Kühlmethoden für Batteriemanagementsysteme
Die Fortschritte in der Kältetechnik sind sowohl im einphasigen als auch im mehrphasigen Bereich erheblich. Die Einphasenkühlung ist einfach, aber ihre Wärmeübertragungskapazität ist im Vergleich zur Mehrphasentechnologie relativ begrenzt. Bei der einphasigen Kühlung wurden neue Nanofluide erforscht, um die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern. Immersive Kühlsysteme haben auch eine gute Wärmeregulierungseffizienz. Bei der Mehrphasenkühlung haben herkömmliche Kältemittel wie HFKW und HFCKW Auswirkungen auf die Umwelt. Daher ist die Erforschung neuer dielektrischer Flüssigkeiten mit niedrigeren Siedepunkten von entscheidender Bedeutung für die Verlängerung der Batterielebensdauer und die Verbesserung der Batteriesicherheit durch die Einführung von Wärmemanagementmodellen.



Innovationen bei Materialien und Strukturen verändern die thermische Effizienz, wie z. B. die Verwendung von PCMs zur Aufrechterhaltung der Batterietemperatur in einem sicheren Bereich, jedoch mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die durch die Einführung hochleitfähiger Metallmatrizen und die Zugabe von Metallnanopartikeln oder porösen Materialien verbessert werden kann; Mikrokanal-Kühlplatten können die Temperatur von Batteriepacks effektiv steuern, aber die Herstellung ist komplex und kostspielig; die Hybridstruktur kombiniert die Vorteile passiver und aktiver Kühlsysteme, erhöht jedoch Gewicht und Komplexität; innovative Materialien wie Graphen können die Wärmeableitung verbessern, aber die Produktionskosten sind hoch. Trotz erheblicher Fortschritte bei der Verbesserung der thermischen Effizienz gibt es immer noch Herausforderungen wie Kostenoptimierung, Vereinfachung des Herstellungsprozesses und effektive Integration, die weitere Forschung und Entwicklung erfordern, um diese Herausforderungen zu bewältigen und die Vorteile der fortschrittlichen Technologie voll auszuschöpfen.



3.Herausforderungen von Lithium-Ionen-Batterien unter extremen Bedingungen


Bei Raumtemperatur: Unter 10 % SoC ist die Temperatur der Batterie relativ stabil. Wenn die 4C (12A)-Stufe beginnt, steigt die Temperatur auf 54 °C. Dieser Temperaturanstieg hat auf der Ebene des Akkupakets erhebliche Aufmerksamkeit erregt und die Notwendigkeit präziser Ladestrategien unterstrichen, um die Überhitzungsrisiken zu mindern und die Sicherheit und langfristige Betriebsintegrität des Akkupakets zu gewährleisten. Um ein sicheres und schnelles Laden dieser Batterien zu erreichen, muss ein Gleichgewicht zwischen dem erforderlichen SoC-Niveau und effektiven Temperaturmanagementstrategien gefunden werden, um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden.



Extremtemperatur-Test: Schnellladetest bei extremen Temperaturen (-10 ° C, 10 ° C, 45 ° C und 60 ° C), Aufzeichnung der Temperaturänderung Δ T des Schnellladetests zum Vergleich. Das ist eine gute Methode zum Vergleich verschiedener Temperaturtests mit unterschiedlichen Ausgangstemperaturen.



Ergebnisse des Hochtemperaturtests: Bei den Hochtemperaturtests zeigt sich, dass 45 °C für das Schnellladen am vorteilhaftesten ist, da die Hochstromphase länger dauert als bei anderen hohen Temperaturen. Wenn die Temperatur auf Umgebungstemperatur (25 ° C) sinkt, wird die Hochstromphase aufgrund des höheren Widerstands im Vergleich zu 45 ° C verkürzt. Bei 60 ° C ist die Konstantstromphase (CC) kürzer als bei 45 ° C, was auf den erhöhten Widerstand durch beschleunigte Alterung in dieser Umgebung zurückgeführt werden kann.



Die extremen Testbedingungen von 60 °C führten zu einem signifikanten Anstieg des Widerstands, der auf das Wachstum der Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) auf der negativen Graphitelektrode zurückzuführen ist. Die erhöhte Zyklustemperatur führt zu einer Zunahme der Lithiumbeschichtung während des Zyklusprozesses, was zur Erkennung von Ablagerungen auf der Graphitelektrode führt. Daher kann der Schnellladetest bei 60 °C eine Lithiumablagerung auf der Anode ausgelöst haben, die den Innenwiderstand erhöht.



Testergebnisse bei niedrigen Temperaturen: In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen ist die Hochstromphase erheblich beeinträchtigt. Bei 10 ° C und darunter ist die CC-Phase aufgrund des höheren Innenwiderstands kürzer als bei 25 ° C. Insbesondere bei -10 ° C sinkt die Stromkurve zunächst, aber es gibt einen kurzen Anstieg, wenn der Ladevorgang fortgesetzt wird. Dies ist auf die Entwicklung des Widerstands zurückzuführen: Zu Beginn des Schnellladetests ist der Widerstand relativ hoch, und mit zunehmender Batterietemperatur sinkt der Widerstand, was zu der beobachteten Stromkurve führt. Insgesamt sind niedrige Temperaturen nicht förderlich für eine schnelle Ladung, d. h. es dauert doppelt so lange, um bei 10 °C auf 80 % aufzuladen. Daher sollte eine Strategie für das Wärmemanagement vor der Behandlung entwickelt werden, um die Schnellladung in dieser Umgebung zu optimieren.



4.Konstruktion
Dieser Artikel befasst sich mit den grundlegenden Aspekten einer nachhaltigen und sicheren Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere in Schlüsselanwendungen wie Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Es wird die entscheidende Bedeutung von Wärmemanagementsystemen für Batterien hervorgehoben, die LIBs im optimalen Temperaturbereich halten, ihre Leistung optimieren und ihre Lebensdauer verlängern. Überhitzung und Temperaturschwankungen können die Sicherheit und Leistung der Batterie beeinträchtigen, ihre Alterung beschleunigen und ihre Energiespeicherkapazität verringern.