Nøgle takeaways:
- Prævalens og drift: Lithium-ion-batterier er vidt brugt til deres høje energitæthed og ingen hukommelseseffekt. De fungerer gennem den reversible bevægelse af lithiumioner mellem katoden og anoden.
- Fejlårsager: Almindelige årsager til batterisvigt inkluderer organisk elektrolytfordampning, separatorsmeltning, udgivelse af ilt, ukontrolleret opladning, hurtig opladning ved lave temperaturer, komplet udladning og fremstillingsdefekter.
- Forebyggelsesstrategier: At sikre batteriets levetid kræver anvendelse af celler af høj kvalitet, effektiv batteripakke-design og et pålideligt batteristyringssystem (BMS).
- BMS betydning og funktioner: En BMS er afgørende for overvågningsspænding, temperatur og cellebalance. Det skal overholde sikkerhedsstandarder som UL 1642 og IEC 62133 for celler og UL 991 eller UL 1998 for BMS -software.
Lithium-ion batterier Er rundt omkring os og driver vores smartphones, bærbare computere, elektriske køretøjer og opbevaringssystemer til vedvarende energi.
I dette indlæg undersøger vi det grundlæggende i disse batterier, herunder hvordan de fungerer, deres fordele, almindelige fiaskoårsager og forebyggelsesmetoder.
Hvorfor bruge lithium-ion-batterier?
Lithium-ion-batterier er blevet populære på grund af deres høje energitæthed. De er bedre end bly-syre, nikkel-cadmium og nikkel-metalhydridbatterier i både volumen og massebaseret energitæthed.
Overgangen fra nikkel-cadmium til nikkel-metalhydridbatterier har ført til den udbredte anvendelse af lithium-ion-batterier. Disse batterier tilbyder ikke kun den højeste energitæthed, men har heller ingen hukommelseseffekt. Dette betyder, at deres kapacitet ikke påvirkes af en fuld eller delvis opladning eller decharge.
Desuden har lithium-ion-batterier lav toksicitet. Især lithium jernfosfat batterier, De indeholder ikke tungmetaller som Cobalt. De har også en længere levetid end alternative kemikaler, hvilket sikrer pålidelighed i forskellige applikationer.
Hvordan lithium-ion-batterier fungerer?
For at forstå sikkerhedsmæssige bekymringer omkring lithium-ion-batterier er det vigtigt at forstå, hvordan de fungerer. Som enhver elektrokemisk celle består et lithium-ion-batteri af en katode og en anode. Katoden indeholder normalt et lithiumsalt, såsom lithiumoxid eller lithiumphosphat, mens anoden typisk er lavet af grafit.
Når du oplader et lithium-ion-batteri, bevæger lithiumionerne (repræsenteret af sorte prikker) sig fra lithiumoxidsalt til grafitanoden. Denne bevægelse, kendt som intercalation, involverer ikke direkte interaktion mellem ionerne og elektronerne. I stedet strømmer elektronerne fra katoden til anoden, hvor de reagerer med carbonet i grafitten.
Det er værd at nævne, at i modsætning til lithiummetalbatterier, der er ikke-genopladelige, giver lithium-ion-batterier mulighed for reversibel intercalation af lithiumioner. Denne gennembrudsinnovation tildelte John Goodenough og Stan Winningham Nobelprisen i kemi. Lithiumionerne gennemgår diffusion gennem en organisk elektrolytvæske, hvilket muliggør deres frem og tilbage bevægelse mellem anoden og katoden.
I den følgende del grave vi mere i den organiske elektrolyt og dens funktion til at hjælpe den glatte betjening af lithium-ion-batterier.
LCO, LMO, NCA
Lad os starte med at diskutere katoden og de lithiumsalte, der normalt bruges i lithium-ion-batterier. Den første, vi vil studere, er lithiumkoboltoxid, som er udbredt i bærbare computere, elværktøjer og mobiltelefoner. Når batteriet udledes, adskiller lithiumet fra lithiumkoboltoxidet og frigiver et elektron, der bevæger sig gennem opladeren til anoden. Denne procedure efterlader koboltoxid på katoden.
Et andet salt, der anvendes som katodemateriale, er lithiummanganoxid. Denne type katode blev anvendt i Nissan -bladet og kan også findes i forskellige Tesla -modeller som Model S, Model 3 og Model X.
Til sidst har vi lithium nikkel cobalt aluminiumoxid, der leverer den højeste energikapacitet pr. Masse og volumen.
Årsager til Li-ion-batterisvigt
For at forhindre Li-ion-batterifejl er det vigtigt at være opmærksom på de faktorer, der kan føre til sådanne problemer. Lad os se nærmere på nogle almindelige årsager.
Organisk elektrolytfordampning
Hvis et Li-ion-batteri bliver for varmt, kan den organiske elektrolyt indeni fordampe. Denne fordampning øger trykket og temperaturen i cellen. Som et resultat kan batteriet bulge, hvilket indikerer tilstedeværelsen af farlige forhold.
Separator smeltning
Li-ion-batterier bruger typisk en separator lavet af polyethylen eller polypropylen. Når de udsættes for temperaturer omkring 80 grader Celsius (170-180 grader Fahrenheit), kan denne separator smelte. Smeltningen af separatoren gør det muligt for anoden og katoden at komme i kontakt, hvilket fører til en intern kortslutning og generering af yderligere varme.
Oxygenfrigivelse og ukontrollerede reaktioner
Når et Li-ion-batteri når høje temperaturer, kan det ilt, der er til stede i katodematerialer som lithiumkoboltoxid, lithiummanganoxid eller lithium nikkel cobalt aluminiumoxid frigøres. Dette frigjorte ilt kan reagere med den fordampede elektrolyt, hvilket forårsager ukontrollerede kemiske reaktioner. Den kontinuerlige kortslutning forværrer yderligere situationen, hvilket gør det vigtigt at tackle den straks.
Ukontrolleret afgift
Overopladning af batteriet eller udsættelse af det for en ukontrolleret ladning kan føre til dannelse af lithiummetal på anoden. Overskydende elektroner kombineres med lithiumioner, danner dendritter, der vokser gennem elektrolytten og ind i katoden. Disse dendritter kan skabe interne kortslutninger og udgøre alvorlige risici.
Hurtig opladning og lave temperaturer
Opladning af batteriet ved meget høje strømme eller lave temperaturer kan hindre bevægelsen af lithiumioner i anoden. Derfor kan et overskud af elektroner akkumuleres på anoden, hvilket forårsager lithiummetalplader og potentielle interne kortslutninger.
Komplet decharge
Undgå fuldt udladning af en lithium-ion-celle. Overopladning kan få kobberopsamleren på anoden til at opløses i elektrolytten. Ved genopladning kan kobberen reformere, men ikke i sin originale folie-lignende struktur. Dette kan føre til kobberbelægning og resultere i en intern kortslutning.
Dårlig celleproduktion og forurening
Li-ion-batterifejl kan også forekomme på grund af produktionsfejl eller tilstedeværelsen af urenheder under fremstillingen. Disse urenheder kan indføre forurenende stoffer eller partikler i batteriet, hvilket fører til interne kortslutninger eller uønskede reaktioner, der fremskynder kapacitets nedbrydning.
Ved at forstå og tackle disse årsager til Li-ion-batterisvigt, kan vi arbejde for at forbedre batterisikkerhed, pålidelighed og levetid i forskellige applikationer.
Forhindrer batterisvigt
Forebyggelse af problemer i batteriindustrien er afgørende for dens fortsatte vækst og succes. Der er tre centrale trin, der kan tages for effektivt at minimere forekomsten af problemer.
Først og fremmest er det af største betydning at sikre, at kvaliteten af batterikellerne er yderst vigtig. Med den hurtige udvidelse af industrien er der opstået adskillige celleproduktionsfaciliteter, især i Kina,. Det er vigtigt at omhyggeligt vælge celler af høj kvalitet fra velrenommerede producenter. Nogle faciliteter kan prale af top-of-the-line, højteknologiske automatiserede processer, mens andre muligvis ikke opfylder de samme standarder. Valget af cellekvalitet påvirker direkte den samlede ydeevne og pålidelighed.
Designet af batteripakken spiller også en vigtig rolle i forebyggelse af hændelser. Batteripakker består af flere celler arrangeret i serie og parallelle konfigurationer, hvilket skaber den ønskede spænding og den aktuelle kapacitet. Når man designer en pakke, er det vigtigt at overveje effektiv varmeafledning i tilfælde af uforudsete begivenheder. At forstå, hvordan pakken vil reagere på potentielle celleproblemer, er afgørende for at bevare sikkerheden. Hvis systemet endvidere kræver at levere betydelige mængder af strøm, bliver det vigtigt at sikre en effektiv fordeling gennem pålidelige kontakter og kredsløbskort.
Ved kernen i det hele er Battery Management System (BMS). Denne enhed tjener som værge for batteriet og overvåger kontinuerligt spændinger, strømme og temperaturer for at sikre, at cellerne fungerer inden for sikre grænser. I enhver lithium-ion-batteripakke er tilstedeværelsen af en integreret eller ekstern BMS kritisk for at beskytte cellerne. BMS sikrer ikke kun sikkerhed, men forbedrer også batteriets levetid. I betragtning af at lithium-ion-batterier kan overgå konventionelle lagerenheder med en betydelig margin, bliver det bydende nødvendigt at prioritere deres beskyttelse for langvarig brug.
Forebyggelse af problemer i batteriindustrien kræver omhyggelig opmærksomhed på cellekvalitet, pakkedesign og implementeringen af et pålideligt batteristyringssystem. Disse kollektive foranstaltninger bidrager til den samlede sikkerhed og holdbarhed af lithium-ion-batterier, hvilket gør det muligt for industrien at trives, mens de minimerer potentielle risici.
Betydningen af batteristyringssystemer
Batteristyringssystemet (BMS) spiller en afgørende rolle i overvågning og kontrol af spændinger, strømme og temperaturer i et batteri. Dens primære funktion er at sikre, at batteriet fungerer inden for sikre grænser. Hvis BMS registrerer abnormiteter eller overstiger cellegrænser, har den kapacitet til at afbryde opladnings- eller afladningsprocessen.
På enklere termer holder BMS øje med batteriets vitale tegn. Det kontrollerer konstant spændingsniveauerne, strømstrømmen og temperaturen for at sikre, at alt fungerer korrekt. Hvis det registrerer problemer, såsom overdreven varme eller uregelmæssig spænding, kan det tage skridt til at beskytte batteriet.
En af BMS's vigtigste opgaver er at forhindre overopladning eller overdischarging af batteriet. Overopladning kan forårsage skade på battericellerne og reducere deres levetid, mens overdischarging kan føre til ydelsesnedbrydning. BMS sikrer, at batteriet modtager det passende opladningsbeløb og forhindrer det i at blive for fuld eller for tom.
Tænk på BMS som batteriets værge. Det er altid på vagt, klar til at træde ind og beskytte batteriet mod potentiel skade. Ved at overvåge og regulere batteriets parametre hjælper BMS med at udvide sin samlede levetid og opretholde optimal ydelse.
Hvilke funktioner skal være til stede på en BMS?
Vi vil dele min mening om minimumskravene til en BMS for at sikre batteriets beskyttelse og levetid.
For det første er spændingsbeskyttelse vigtig. Det er vigtigt at forhindre overopladning og overdischarging af batteriet. Vi er nødt til at opretholde et sikkert spændingsområde for at undgå at beskadige cellerne og maksimere deres levetid. For øvrig bør vi også overveje at forhindre, at pakken leverer strømme, der overskrider dens kapacitet, ikke kun på celleniveau, men også for hele pakken.
Temperaturbeskyttelse er et andet vigtigt aspekt. Når temperaturerne stiger for høje, kan det føre til potentielle risici og fiaskoer. Derfor er det afgørende at have mekanismer til at overvåge og kontrollere høje temperaturer. Tilsvarende er det vigtigt at have beskyttelse af lavtemperaturopladning for at forhindre problemer som lithiummetalplader på anoden på grund af overdreven kolde forhold.
Endvidere er en nyttig funktion, selvom den ikke er absolut nødvendig, evnen til at afbalancere cellerne inden for en serie. Celler i parallelt deler naturligt strøm og spænding, men celler i serie gør det ikke. For at opretholde en ensartet ladningstilstand (SOC) blandt cellerne er der krævet en afbalanceringsmekanisme eller ekstra nuværende delingsevne.
Endelig, selvom vi ikke diskuterede specifikke standarder for tredjepartstest, er det værd at nævne, at der er eksisterende standarder, som tredjeparts testlaboratorier kan bruge til vurdering af overholdelse.
Standarder
Der er ofte forvirring med hensyn til de forskellige lister for celler, batteripakker og batteristyringssystemer. Lad os afklare tingene lidt. Lithium-ion-celler kan testes og anføres i henhold til UL 1642 eller IEC 62133 standarder.
Batteripakker har på den anden side deres egne lister. De kan anføres under enten UL 2050 eller UL 1973, som begge kræver overholdelse af UL 1642 som en forudsætning. Det er vigtigt at bemærke, at UL 1642 i sig selv ikke er en pakkeliste, men snarere en forudsætning for disse pakkelister.
I et forsøg på at oprette en fortegnelse, der gælder for både celler og pakker, introducerede IEC IEC 62133. Det er dog værd at nævne, at batteristyringssystemer (BMS) også har deres egne separate lister.
For hardware kan BMS opføres til UL 991, mens den for software kan vises til UL 1998 eller IEC 60730-1. Det er vigtigt at bemærke, at UL 991 og UL 1998 ikke er forudsætninger for UL 2054 eller UL 1973 -lister.
Men hvis din BMS ikke er opført til disse standarder, bliver du nødt til at gennemføre test ved hjælp af fejlbetingelser for at sikre, at selv i tilfælde af en fiasko, oprettes en farlig situation ikke.
Det er vigtigt at huske, at dette ikke er en udtømmende liste over standarder, men jeg ville fremhæve deres eksistens og give en vis afklaring.
Konklusion
Ved at forstå arbejdsprincippet om lithium-ion-batterier og overveje faktorer såsom cellekvalitet, pakkedesign og et robust batteristyringssystem, kan vi forbedre batterisikkerhed og pålidelighed. At overholde relevante standarder og gennemføre grundig test bidrager yderligere til den sikre og effektive udnyttelse af lithium-ion-batterier.
Med fortsatte teknologiske fremskridt og fokus på sikkerhed, vil lithium-ion-batterier fortsat spille en betydelig rolle i vores elektrificerede verden, hvilket driver forskellige applikationer, mens de mindsker risici.
Relaterede artikler:
