Poin Penting:
- Prevalensi dan Operasi: Baterai lithium-ion banyak digunakan untuk kepadatan energi tinggi dan tidak ada efek memori. Mereka beroperasi melalui gerakan reversibel ion lithium antara katoda dan anoda.
- Penyebab Kegagalan: Alasan umum untuk kegagalan baterai termasuk penguapan elektrolit organik, peleburan pemisah, pelepasan oksigen, pengisian yang tidak terkendali, pengisian cepat pada suhu rendah, pelepasan lengkap, dan cacat manufaktur.
- Strategi Pencegahan: Memastikan umur panjang baterai membutuhkan penggunaan sel berkualitas tinggi, desain paket baterai yang efektif, dan sistem manajemen baterai yang andal (BMS).
- BMS penting dan fitur: BMS sangat penting untuk memantau tegangan, suhu, dan keseimbangan sel. Ini harus mematuhi standar keamanan seperti UL 1642 dan IEC 62133 untuk sel, dan UL 991 atau UL 1998 untuk perangkat lunak BMS.
Baterai litium-ion ada di sekitar kita, menyalakan smartphone, laptop, kendaraan listrik, dan sistem penyimpanan energi terbarukan kita.
Dalam posting ini, kami akan mengeksplorasi dasar -dasar baterai ini, termasuk cara kerjanya, manfaatnya, penyebab kegagalan umum, dan metode pencegahan.
Mengapa menggunakan baterai lithium-ion?
Baterai lithium-ion telah menjadi populer karena kepadatan energi yang tinggi. Mereka lebih unggul dari asam timbal, nikel-kadmium, dan baterai hidrida nikel-logam baik dalam volume dan kepadatan energi berbasis massa.
Transisi dari nikel-kadmium ke baterai hidrida nikel-logam telah menyebabkan penggunaan baterai lithium-ion secara luas. Baterai ini tidak hanya menawarkan kepadatan energi tertinggi tetapi juga tidak memiliki efek memori. Ini berarti kapasitas mereka tidak terpengaruh oleh muatan atau debit penuh atau parsial.
Selain itu, baterai lithium-ion memiliki toksisitas rendah. Terutama baterai litium besi fosfat, mereka tidak mengandung logam berat seperti kobalt. Juga, mereka memiliki masa hidup yang lebih lama daripada kimia alternatif, memastikan keandalan dalam berbagai aplikasi.
Bagaimana Baterai Lithium-Ion Bekerja?
Untuk memahami masalah keamanan di sekitar baterai lithium-ion, penting untuk memahami cara kerjanya. Seperti sel elektrokimia lainnya, baterai lithium-ion terdiri dari katoda dan anoda. Katoda biasanya mengandung garam lithium, seperti lithium oksida atau lithium fosfat, sedangkan anoda biasanya terbuat dari grafit.
Saat Anda mengisi baterai lithium-ion, ion lithium (diwakili oleh titik-titik hitam) bergerak dari garam lithium oksida ke anoda grafit. Gerakan ini, yang dikenal sebagai interkalasi, tidak melibatkan interaksi langsung antara ion dan elektron. Sebaliknya, elektron mengalir dari katoda ke anoda, di mana mereka bereaksi dengan karbon dalam grafit.
Perlu disebutkan bahwa tidak seperti baterai logam lithium, yang merupakan baterai lithium-ion yang tidak dapat diteklih memungkinkan interkalasi ion lithium yang dapat dibalik. Inovasi terobosan ini memberi John Goodenough dan Stan Winningham Hadiah Nobel dalam Kimia. Ion lithium mengalami difusi melalui cairan elektrolit organik, memungkinkan gerakan bolak-balik mereka antara anoda dan katoda.
Pada bagian berikut, kami akan menggali lebih banyak ke dalam elektrolit organik dan fungsinya dalam membantu pengoperasian baterai lithium-ion yang lancar.
LCO, LMO, NCA
Mari kita mulai dengan membahas katoda dan garam lithium yang biasanya digunakan dalam baterai lithium-ion. Yang pertama yang akan kami pelajari adalah lithium kobalt oksida, yang tersebar luas di laptop, alat listrik, dan ponsel. Saat baterai terlepas, lithium terpisah dari lithium kobalt oksida, melepaskan elektron yang bergerak melalui pengisi daya ke anoda. Prosedur ini menyisakan oksida kobalt pada katoda.
Garam lain yang digunakan sebagai bahan katoda adalah lithium mangan oksida. Jenis katoda ini digunakan dalam daun Nissan dan juga dapat ditemukan di berbagai model Tesla seperti Model S, Model 3, dan Model X.
Terakhir, kami memiliki lithium nikel kobalt aluminium oksida, yang menghasilkan kapasitas energi tertinggi per massa dan volume.
Penyebab kegagalan baterai li-ion
Untuk mencegah kegagalan baterai Li-ion, penting untuk menyadari faktor-faktor yang dapat menyebabkan masalah seperti itu. Mari kita lihat lebih dekat beberapa penyebab umum.
Penguapan elektrolit organik
Jika baterai Li-ion terlalu panas, elektrolit organik di dalam dapat menguap. Penguapan ini meningkatkan tekanan dan suhu di dalam sel. Akibatnya, baterai dapat menonjol, menunjukkan adanya kondisi berbahaya.
Pemisah leleh
Baterai Li-ion biasanya menggunakan pemisah yang terbuat dari polietilen atau polypropylene. Ketika terkena suhu sekitar 80 derajat Celcius (170-180 derajat Fahrenheit), pemisah ini dapat meleleh. Pencairan pemisah memungkinkan anoda dan katoda untuk bersentuhan, yang mengarah ke sirkuit pendek internal dan menghasilkan panas tambahan.
Pelepasan oksigen dan reaksi yang tidak terkendali
Ketika baterai Li-ion mencapai suhu tinggi, oksigen yang ada dalam bahan katoda seperti lithium kobalt oksida, lithium mangan oksida, atau lithium nikel kobalt aluminium oksida dapat dilepaskan. Oksigen yang dilepaskan ini dapat bereaksi dengan elektrolit yang diuapkan, menyebabkan reaksi kimia yang tidak terkendali. Sirkuit pendek yang terus menerus semakin memperburuk situasi, membuatnya penting untuk mengatasinya dengan segera.
Biaya yang tidak terkendali
Pengisian daya baterai yang berlebihan atau menundukkannya ke muatan yang tidak terkendali dapat menyebabkan pembentukan logam lithium pada anoda. Kelebihan elektron bergabung dengan ion lithium, membentuk dendrit yang tumbuh melalui elektrolit dan ke dalam katoda. Dendrit ini dapat membuat sirkuit pendek internal, menimbulkan risiko serius.
Pengisian cepat dan suhu rendah
Mengisi baterai pada arus yang sangat tinggi atau suhu rendah dapat menghambat pergerakan ion lithium ke dalam anoda. Akibatnya, kelebihan elektron dapat menumpuk pada anoda, menyebabkan pelapisan logam lithium dan potensi sirkuit pendek internal.
Pelepasan lengkap
Hindari pelepasan sepenuhnya sel lithium-ion. Over-Discharging dapat menyebabkan kolektor tembaga pada anoda larut ke dalam elektrolit. Saat mengisi ulang, tembaga dapat mereformasi, tetapi tidak dalam struktur seperti foil aslinya. Ini dapat menyebabkan pelapisan tembaga dan menghasilkan sirkuit pendek internal.
Produksi dan kontaminasi sel yang buruk
Kegagalan baterai Li-ion juga dapat terjadi karena cacat produksi atau adanya kotoran selama pembuatan. Kotoran ini dapat memperkenalkan kontaminan atau partikulat ke dalam baterai, yang mengarah ke sirkuit pendek internal atau reaksi yang tidak diinginkan yang mempercepat degradasi kapasitas.
Dengan memahami dan mengatasi penyebab kegagalan baterai Li-ion ini, kami dapat berupaya meningkatkan keamanan baterai, keandalan, dan umur panjang dalam berbagai aplikasi.
Mencegah kegagalan baterai
Mencegah masalah dalam industri baterai sangat penting untuk pertumbuhan dan keberhasilannya yang berkelanjutan. Ada tiga langkah kunci yang dapat diambil untuk secara efektif meminimalkan terjadinya masalah.
Pertama dan terpenting, memastikan kualitas sel baterai sangat penting. Dengan ekspansi industri yang cepat, banyak fasilitas manufaktur sel, khususnya di Cina, telah muncul. Sangat penting untuk memilih sel berkualitas tinggi dengan hati-hati dari produsen terkemuka. Beberapa fasilitas membanggakan proses otomatis berteknologi tinggi, sementara yang lain mungkin tidak memenuhi standar yang sama. Pilihan kualitas sel secara langsung memengaruhi kinerja dan keandalan secara keseluruhan.
Desain paket baterai juga memainkan peran penting dalam mencegah insiden. Paket baterai terdiri dari beberapa sel yang diatur secara seri dan konfigurasi paralel, menciptakan tegangan yang diinginkan dan kapasitas saat ini. Saat merancang paket, penting untuk mempertimbangkan disipasi panas yang efektif jika terjadi peristiwa yang tidak terduga. Memahami bagaimana paket akan merespons masalah sel potensial sangat penting untuk menjaga keamanan. Selain itu, jika sistem memerlukan memberikan jumlah arus yang substansial, memastikan distribusi yang efisien melalui kontak yang andal dan papan sirkuit menjadi yang terpenting.
Di inti dari semuanya adalah Sistem Manajemen Baterai (BMS). Perangkat ini berfungsi sebagai penjaga baterai, terus memantau tegangan, arus, dan suhu untuk memastikan sel beroperasi dalam batas yang aman. Dalam setiap paket baterai lithium-ion, adanya BMS terintegrasi atau eksternal sangat penting untuk menjaga sel. BMS tidak hanya memastikan keamanan tetapi juga meningkatkan umur panjang baterai. Mengingat bahwa baterai lithium-ion dapat bertahan lebih lama dari perangkat penyimpanan konvensional dengan margin yang signifikan, menjadi penting untuk memprioritaskan perlindungan mereka untuk penggunaan jangka panjang.
Mencegah masalah dalam industri baterai mengharuskan perhatian yang cermat terhadap kualitas sel, desain paket, dan implementasi sistem manajemen baterai yang andal. Langkah-langkah kolektif ini berkontribusi pada keamanan dan daya tahan keseluruhan baterai lithium-ion, memungkinkan industri untuk berkembang sambil meminimalkan risiko potensial.
Pentingnya Sistem Manajemen Baterai
Sistem manajemen baterai (BMS) memainkan peran penting dalam memantau dan mengendalikan tegangan, arus, dan suhu baterai. Fungsi utamanya adalah untuk memastikan bahwa baterai beroperasi dalam batas yang aman. Jika BMS mendeteksi segala kelainan atau melebihi batas sel, ia memiliki kemampuan untuk mengganggu proses pengisian atau pelepasan.
Dalam istilah yang lebih sederhana, BMS mengawasi tanda -tanda vital baterai. Ini terus -menerus memeriksa level tegangan, aliran arus, dan suhu untuk memastikan semuanya berfungsi dengan baik. Jika mendeteksi masalah apa pun, seperti panas yang berlebihan atau tegangan tidak teratur, dapat mengambil tindakan untuk melindungi baterai.
Salah satu tugas utama BMS adalah mencegah pengisian berlebih atau overdischarging baterai. Pengisian berlebih dapat menyebabkan kerusakan pada sel baterai dan mengurangi umurnya, sementara overdischarging dapat menyebabkan degradasi kinerja. BMS memastikan bahwa baterai menerima jumlah muatan yang sesuai dan mencegahnya menjadi terlalu penuh atau terlalu kosong.
Pikirkan BMS sebagai wali baterai. Itu selalu ditonton, siap untuk masuk dan melindungi baterai dari potensi bahaya. Dengan memantau dan mengatur parameter baterai, BMS membantu memperpanjang umurnya secara keseluruhan dan mempertahankan kinerja yang optimal.
Fitur apa yang harus disajikan pada BMS?
Kami ingin berbagi pendapat saya tentang persyaratan minimum untuk BMS untuk memastikan perlindungan dan umur panjang paket baterai.
Pertama, perlindungan tegangan sangat penting. Sangat penting untuk mencegah pengisian berlebih dan overdischarging baterai. Kita perlu mempertahankan rentang tegangan yang aman untuk menghindari kerusakan sel dan memaksimalkan umur mereka. Ngomong -ngomong, kita juga harus mempertimbangkan untuk mencegah paket dari memberikan arus yang melebihi kapasitasnya, tidak hanya di tingkat sel tetapi juga untuk seluruh paket.
Perlindungan suhu adalah aspek vital lainnya. Ketika suhu naik terlalu tinggi, itu dapat menyebabkan potensi risiko dan kegagalan. Oleh karena itu, memiliki mekanisme untuk memantau dan mengendalikan suhu tinggi sangat penting. Demikian pula, penting untuk memiliki perlindungan pengisian suhu rendah untuk mencegah masalah seperti pelapisan logam lithium pada anoda karena kondisi yang sangat dingin.
Selain itu, satu fitur yang berguna, meskipun tidak mutlak diperlukan, adalah kemampuan untuk menyeimbangkan sel dalam satu seri. Sel secara paralel secara alami berbagi arus dan tegangan, tetapi sel -sel dalam seri tidak. Untuk mempertahankan keadaan seragam (SOC) di antara sel, mekanisme penyeimbang atau kemampuan berbagi arus ekstra.
Akhirnya, sementara kami tidak membahas standar spesifik untuk pengujian pihak ketiga, perlu disebutkan bahwa ada standar yang dapat digunakan yang dapat digunakan laboratorium uji pihak ketiga untuk penilaian kepatuhan.
Standar
Sering ada kebingungan mengenai berbagai daftar untuk sel, paket baterai, dan sistem manajemen baterai. Mari kita klarifikasi sedikit. Sel-sel lithium-ion dapat diuji dan terdaftar sesuai dengan standar UL 1642 atau IEC 62133.
Baterai, di sisi lain, memiliki daftar sendiri. Mereka dapat terdaftar di bawah UL 2050 atau UL 1973, yang keduanya membutuhkan kepatuhan dengan UL 1642 sebagai prasyarat. Penting untuk dicatat bahwa UL 1642 itu sendiri bukanlah daftar paket melainkan prasyarat untuk daftar paket ini.
Dalam upaya membuat daftar yang berlaku untuk kedua sel dan paket, IEC memperkenalkan IEC 62133. Namun, ada baiknya menyebutkan bahwa sistem manajemen baterai (BMS) juga memiliki daftar terpisah mereka sendiri.
Untuk perangkat keras, BMS dapat terdaftar untuk UL 991, sedangkan untuk perangkat lunak, ini dapat terdaftar untuk UL 1998 atau IEC 60730-1. Penting untuk dicatat bahwa UL 991 dan UL 1998 bukanlah prasyarat untuk daftar UL 2054 atau UL 1973.
Namun, jika BMS Anda tidak terdaftar sesuai standar ini, Anda perlu melakukan pengujian menggunakan kondisi kesalahan untuk memastikan bahwa bahkan jika terjadi kegagalan, situasi berbahaya tidak dibuat.
Penting untuk diingat bahwa ini bukan daftar standar yang lengkap, tetapi saya ingin menyoroti keberadaan mereka dan memberikan beberapa klarifikasi.
Kesimpulan
Dengan memahami prinsip kerja baterai lithium-ion dan mempertimbangkan faktor-faktor seperti kualitas sel, desain paket, dan sistem manajemen baterai yang kuat, kami dapat meningkatkan keamanan dan keandalan baterai. Mematuhi standar yang relevan dan melakukan pengujian menyeluruh lebih lanjut berkontribusi pada pemanfaatan baterai lithium-ion yang aman dan efisien.
Dengan kemajuan berkelanjutan dalam teknologi dan fokus pada keselamatan, baterai lithium-ion akan terus memainkan peran penting di dunia listrik kita, menyalakan berbagai aplikasi sambil mengurangi risiko.
Artikel Terkait:
