1. Flammhemmender Elektrolyt
Elektrolytische Flammschutzmittel sind ein sehr wirksames Mittel, um das Risiko eines thermischen Durchgehens von Batterien zu verringern. Allerdings haben diese Flammschutzmittel häufig einen gravierenden Einfluss auf die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und sind daher in der Praxis nur schwer anzuwenden. Um dieses Problem zu lösen, wird das YuQiao-Team [1] der University of California, San Diego, mit der Methode der Kapselverpackung das flammhemmende DbA (Dibenzylamin) im Inneren der Mikrokapsel speichern und im Elektrolyten verstreuen Normale Zeiten haben keinen Einfluss auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien. Wenn die Zellen jedoch durch äußere Gewalteinwirkung wie Extrusion zerstört werden, werden die Flammschutzmittel in diesen Kapseln freigesetzt, wodurch die Batterie vergiftet wird und zum Versagen führt, wodurch sie alarmiert wird zum thermischen Durchgehen. Im Jahr 2018 nutzte das Team von YuQiao [2] die oben genannte Technologie erneut und verwendete Ethylenglykol und Ethylendiamin als Flammschutzmittel, die eingekapselt und in die Lithium-Ionen-Batterie eingebracht wurden, was zu einem Rückgang der maximalen Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie um 70 % führte der Pin-Pin-Test, wodurch das Risiko einer thermischen Kontrolle der Lithium-Ionen-Batterie erheblich reduziert wird.
Die oben genannten Methoden sind selbstzerstörend, was bedeutet, dass bei Verwendung des Flammschutzmittels die gesamte Lithium-Ionen-Batterie zerstört wird. AtsuoYamadas Team an der Universität Tokio in Japan [3] entwickelte jedoch einen flammhemmenden Elektrolyten, der die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien nicht beeinträchtigt. In diesem Elektrolyten wurde eine hohe Konzentration von NaN(SO2F)2(NaFSA)oder LiN(SO2F)2(LiFSA) als Lithiumsalz verwendet und dem Elektrolyten wurde ein übliches flammhemmendes Trimethylphosphat TMP zugesetzt, was die thermische Stabilität deutlich verbesserte Lithium-Ionen-Akku. Darüber hinaus hatte der Zusatz von Flammschutzmitteln keinen Einfluss auf die Zyklenleistung der Lithium-Ionen-Batterie. Der Elektrolyt kann für mehr als 1000 Zyklen verwendet werden (1200 C/5 Zyklen, 95 % Kapazitätserhalt).
Die flammhemmenden Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien durch Zusatzstoffe sind eine der Möglichkeiten, Lithium-Ionen-Batterien vor einer unkontrollierten Erwärmung zu warnen. Einige Leute finden auch einen neuen Weg, um zu versuchen, das Auftreten von Kurzschlüssen in Lithium-Ionen-Batterien zu warnen, die durch äußere Kräfte von der Wurzel aus verursacht werden, um so den Zweck zu erreichen, den Boden zu entfernen und das Auftreten von außer Kontrolle geratener Hitze vollständig zu verhindern. Angesichts der möglichen heftigen Auswirkungen der verwendeten Lithium-Ionen-Akkus hat GabrielM.Veith vom Oak Ridge National Laboratory in den USA einen Elektrolyten mit scherverdickenden Eigenschaften entwickelt [4]. Dieser Elektrolyt nutzt die Eigenschaften nicht-Newtonscher Flüssigkeiten. Im Normalzustand ist der Elektrolyt flüssig. Wenn es jedoch einem plötzlichen Aufprall ausgesetzt wird, stellt es einen festen Zustand dar, wird extrem stark und kann sogar den Effekt einer kugelsicheren Wirkung erzielen. Von Grund auf warnt es vor der Gefahr eines thermischen Durchgehens, das durch einen Kurzschluss in der Batterie verursacht wird, wenn die Lithium-Ionen-Leistungsbatterie kollidiert.
2. Batteriestruktur
Schauen wir uns als Nächstes an, wie man das thermische Durchgehen der Batteriezellen bremsen kann. Derzeit wird das Problem des thermischen Durchgehens beim strukturellen Design von Lithium-Ionen-Batterien berücksichtigt. Beispielsweise befindet sich in der oberen Abdeckung einer 18650-Batterie normalerweise ein Überdruckventil, das bei einem thermischen Durchgehen den übermäßigen Druck im Inneren der Batterie rechtzeitig abbauen kann. Zweitens befindet sich in der Batterieabdeckung ein PTC-Material mit positivem Temperaturkoeffizienten. Wenn die Temperatur des thermischen Durchgehens ansteigt, erhöht sich der Widerstand des PTC-Materials erheblich, um den Strom zu verringern und die Wärmeerzeugung zu verringern. Darüber hinaus sollte bei der Gestaltung der Struktur der einzelnen Batterie auch das Anti-Kurzschluss-Design zwischen den Plus- und Minuspolen berücksichtigt werden, um Fehlbedienung, Metallrückstände und andere Faktoren zu vermeiden, die zu einem Kurzschluss der Batterie führen und Sicherheitsunfälle verursachen.
Beim zweiten Design in Batterien muss eine sicherere Membran verwendet werden, z. B. eine automatisch geschlossene Pore aus dreischichtigem Verbundwerkstoff bei hohen Temperaturen. In den letzten Jahren ist jedoch mit der Verbesserung der Batterieenergiedichte der Trend zu dünnen Membranen gestiegen Die dreischichtige Verbundmembran ist nach und nach veraltet und wird durch eine Keramikbeschichtung der Membran ersetzt. Die Keramikbeschichtung dient der Membranunterstützung, verringert die Kontraktion der Membran bei hohen Temperaturen, verbessert die thermische Stabilität von Lithium-Ionen-Batterien und verringert das Risiko von Thermisches Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie.
3. Thermisches Sicherheitsdesign des Akkus
Im Einsatz bestehen Lithium-Ionen-Batterien oft aus Dutzenden, Hunderten oder sogar Tausenden von Batterien durch Reihen- und Parallelschaltung. Beispielsweise besteht das Batteriepaket von Tesla ModelS aus mehr als 7.000 18650-Batterien. Wenn einer der Akkus die thermische Kontrolle verliert, kann es zu einer Ausbreitung im Akkupack kommen und schwerwiegende Folgen haben. Beispielsweise geriet im Januar 2013 in Boston, USA, die Lithium-Ionen-Batterie einer Boeing 787 eines japanischen Unternehmens in Brand. Laut einer Untersuchung des National Transportation Safety Board verursachte eine quadratische 75-Ah-Lithium-Ionen-Batterie im Batteriepaket ein thermisches Durchgehen benachbarter Batterien. Nach dem Vorfall forderte Boeing, alle Batteriepakete mit neuen Maßnahmen auszustatten, um eine unkontrollierte thermische Ausbreitung zu verhindern.
Um zu verhindern, dass sich Thermal Runaway innerhalb von Lithium-Ionen-Batterien ausbreitet, hat AllcellTechnology ein Thermal Runaway-Isolationsmaterial PCC für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, das auf Phasenwechselmaterialien basiert [5]. PCC-Material ist zwischen Monomer-Lithium-Ionen-Akkus eingefüllt. Bei normalem Betrieb des Lithium-Ionen-Akkus kann die Wärme im Akku-Pack durch das PCC-Material schnell an die Außenseite des Akkus geleitet werden, was zu einem thermischen Durchgehen im Lithium-Ionen-Akku führt Bei Batterien absorbiert das PCC-Material durch das Schmelzen von Paraffinwachs im Inneren viel Wärme, verhindert einen weiteren Anstieg der Batterietemperatur und sorgt so dafür, dass die Hitze in der internen Diffusion des Batteriepakets außer Kontrolle gerät. Im Nadelstichtest verursachte das thermische Durchgehen einer Batterie in einem Batteriepaket, das aus 4 und 10 Strängen von 18650-Batteriepaketen ohne Verwendung von PCC-Material bestand, schließlich das thermische Durchgehen von 20 Batterien im Batteriepaket, während das thermische Durchgehen einer einzigen Batterie die Folge war Der Akku im Akkupack aus PCC-Material verursachte nicht das thermische Durchgehen anderer Akkupacks.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 25. Februar 2022