Belangrijkste leerpunten:
- Prevalentie en werking: Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt vanwege hun hoge energiedichtheid en geen geheugeneffect. Ze werken door de omkeerbare beweging van lithiumionen tussen de kathode en anode.
- Oorzaken van mislukkingen: Veelvoorkomende redenen voor batterijstoringen zijn onder meer de verdamping van organische elektrolyten, het smelten van de separator, het vrijkomen van zuurstof, ongecontroleerd opladen, snel opladen bij lage temperaturen, volledige ontlading en fabricagefouten.
- Preventiestrategieën: Om de levensduur van de batterij te garanderen, is het gebruik van hoogwaardige cellen, een effectief batterijpakketontwerp en een betrouwbaar batterijbeheersysteem (BMS) vereist.
- BMS-belang en kenmerken: Een GBS is cruciaal voor het bewaken van spanning, temperatuur en celbalans. Het moet voldoen aan veiligheidsnormen zoals UL 1642 en IEC 62133 voor cellen, en UL 991 of UL 1998 voor GBS-software.
Lithium-ionbatterijen zijn overal om ons heen aanwezig en voeden onze smartphones, laptops, elektrische voertuigen en opslagsystemen voor hernieuwbare energie.
In dit bericht onderzoeken we de basisprincipes van deze batterijen, inclusief hoe ze werken, hun voordelen, veelvoorkomende oorzaken van storingen en preventiemethoden.
Waarom lithium-ionbatterijen gebruiken?
Lithium-ionbatterijen zijn populair geworden vanwege hun hoge energiedichtheid. Ze zijn superieur aan loodzuur-, nikkel-cadmium- en nikkel-metaalhydridebatterijen, zowel qua volume als qua massa-gebaseerde energiedichtheid.
De overgang van nikkel-cadmium- naar nikkel-metaalhydridebatterijen heeft geleid tot het wijdverbreide gebruik van lithium-ionbatterijen. Deze batterijen bieden niet alleen de hoogste energiedichtheid, maar hebben ook geen geheugeneffect. Dit betekent dat hun capaciteit niet wordt beïnvloed door een volledige of gedeeltelijke lading of ontlading.
Bovendien hebben lithium-ionbatterijen een lage toxiciteit. Vooral de lithium-ijzerfosfaatbatterijenbevatten ze geen zware metalen zoals kobalt. Bovendien hebben ze een langere levensduur dan alternatieve chemicaliën, waardoor betrouwbaarheid bij diverse toepassingen wordt gegarandeerd.
Hoe lithium-ionbatterijen werken?
Om de veiligheidsproblemen rond lithium-ionbatterijen te begrijpen, is het belangrijk om te begrijpen hoe ze werken. Zoals elke elektrochemische cel bestaat een lithium-ionbatterij uit een kathode en een anode. De kathode bevat meestal een lithiumzout, zoals lithiumoxide of lithiumfosfaat, terwijl de anode doorgaans van grafiet is gemaakt.
Wanneer u een lithium-ionbatterij oplaadt, verplaatsen de lithiumionen (weergegeven door zwarte stippen) zich van het lithiumoxidezout naar de grafietanode. Bij deze beweging, bekend als intercalatie, is er geen sprake van directe interactie tussen de ionen en de elektronen. In plaats daarvan stromen de elektronen van de kathode naar de anode, waar ze reageren met de koolstof in het grafiet.
Het is de moeite waard te vermelden dat, in tegenstelling tot lithium-metaalbatterijen, die niet oplaadbaar zijn, lithium-ionbatterijen de omkeerbare intercalatie van lithiumionen mogelijk maken. Deze baanbrekende innovatie leverde John Goodenough en Stan Winningham de Nobelprijs voor de Scheikunde op. De lithiumionen ondergaan diffusie door een organische elektrolytvloeistof, waardoor hun heen-en-weerbeweging tussen de anode en kathode mogelijk wordt.
In het volgende deel zullen we dieper ingaan op de organische elektrolyt en zijn functie bij het bevorderen van de goede werking van lithium-ionbatterijen.
LCO, LMO, NCA
Laten we beginnen met het bespreken van de kathode en de lithiumzouten die gewoonlijk in lithium-ionbatterijen worden gebruikt. De eerste die we gaan bestuderen is lithiumkobaltoxide, dat veel voorkomt in laptops, elektrisch gereedschap en mobiele telefoons. Wanneer de batterij leeg raakt, scheidt het lithium zich van het lithiumkobaltoxide, waardoor een elektron vrijkomt dat door de oplader naar de anode gaat. Deze procedure laat kobaltoxide achter op de kathode.
Een ander zout dat als kathodemateriaal wordt gebruikt, is lithiummangaanoxide. Dit type kathode werd gebruikt in de Nissan Leaf en is ook te vinden in verschillende Tesla-modellen zoals de Model S, Model 3 en Model X.
Ten slotte hebben we lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide, dat de hoogste energiecapaciteit per massa en volume levert.
Oorzaken van defecten aan de Li-ion-batterij
Om defecten aan Li-ion-batterijen te voorkomen, is het belangrijk om op de hoogte te zijn van de factoren die tot dergelijke problemen kunnen leiden. Laten we enkele veelvoorkomende oorzaken eens nader bekijken.
Organische elektrolytverdamping
Als een Li-ion-accu te heet wordt, kan de organische elektrolyt erin verdampen. Deze verdamping verhoogt de druk en temperatuur in de cel. Als gevolg hiervan kan de batterij uitpuilen, wat wijst op de aanwezigheid van gevaarlijke omstandigheden.
Separator smelten
Li-ionbatterijen gebruiken doorgaans een separator gemaakt van polyethyleen of polypropyleen. Bij blootstelling aan temperaturen rond de 80 graden Celsius (170-180 graden Fahrenheit) kan deze afscheider smelten. Door het smelten van de separator kunnen de anode en kathode met elkaar in contact komen, wat leidt tot een interne kortsluiting en het genereren van extra warmte.
Zuurstofafgifte en ongecontroleerde reacties
Wanneer een Li-ionbatterij hoge temperaturen bereikt, kan de zuurstof die aanwezig is in kathodematerialen zoals lithiumkobaltoxide, lithiummangaanoxide of lithiumnikkelkobaltaluminiumoxide vrijkomen. Deze vrijgekomen zuurstof kan reageren met de verdampte elektrolyt, waardoor ongecontroleerde chemische reacties ontstaan. De voortdurende kortsluiting verergert de situatie nog verder, waardoor het van cruciaal belang is om deze snel aan te pakken.
Ongecontroleerde lading
Het overladen van de batterij of het blootstellen aan een ongecontroleerde lading kan leiden tot de vorming van lithiummetaal op de anode. Overtollige elektronen combineren met lithiumionen en vormen dendrieten die door de elektrolyt naar de kathode groeien. Deze dendrieten kunnen interne kortsluitingen veroorzaken, wat ernstige risico's met zich meebrengt.
Snel opladen en lage temperaturen
Het opladen van de batterij bij zeer hoge stromen of lage temperaturen kan de beweging van lithiumionen in de anode belemmeren. Als gevolg hiervan kan zich een overmaat aan elektronen ophopen op de anode, waardoor lithiummetaalbeplating en mogelijke interne kortsluitingen ontstaan.
Volledige ontlading
Vermijd het volledig ontladen van een lithium-ioncel. Overmatig ontladen kan ervoor zorgen dat de koperen collector op de anode oplost in de elektrolyt. Bij het opladen kan het koper zich hervormen, maar niet in de oorspronkelijke folieachtige structuur. Dit kan leiden tot koperbeplating en tot een interne kortsluiting.
Slechte celproductie en besmetting
Li-ion-batterijstoringen kunnen ook optreden als gevolg van productiefouten of de aanwezigheid van onzuiverheden tijdens de productie. Deze onzuiverheden kunnen verontreinigende stoffen of deeltjes in de batterij introduceren, wat leidt tot interne kortsluitingen of ongewenste reacties die de achteruitgang van de capaciteit versnellen.
Door deze oorzaken van defecten aan Li-ion-batterijen te begrijpen en aan te pakken, kunnen we werken aan het verbeteren van de veiligheid, betrouwbaarheid en levensduur van batterijen in verschillende toepassingen.
Voorkomen van batterijstoringen
Het voorkomen van problemen in de batterij-industrie is cruciaal voor de voortdurende groei en het succes ervan. Er zijn drie belangrijke stappen die kunnen worden genomen om het optreden van problemen effectief te minimaliseren.
Eerst en vooral is het waarborgen van de kwaliteit van batterijcellen van het allergrootste belang. Met de snelle expansie van de industrie zijn er talloze celproductiefaciliteiten ontstaan, vooral in China. Het is van cruciaal belang om zorgvuldig hoogwaardige cellen van gerenommeerde fabrikanten te selecteren. Sommige faciliteiten beschikken over geavanceerde, hightech geautomatiseerde processen, terwijl andere misschien niet aan dezelfde normen voldoen. De keuze van de celkwaliteit heeft een directe invloed op de algehele prestaties en betrouwbaarheid.
Ook het ontwerp van het accupakket speelt een cruciale rol bij het voorkomen van incidenten. Batterijpakketten bestaan uit meerdere cellen die in serie- en parallelle configuraties zijn gerangschikt, waardoor de gewenste spannings- en stroomcapaciteit ontstaat. Bij het ontwerpen van een rugzak is het essentieel om rekening te houden met een effectieve warmteafvoer in geval van onvoorziene gebeurtenissen. Begrijpen hoe de roedel zal reageren op mogelijke celproblemen is van cruciaal belang voor het behoud van de veiligheid. Bovendien, als het systeem aanzienlijke hoeveelheden stroom moet leveren, is het garanderen van een efficiënte distributie via betrouwbare contacten en printplaten van cruciaal belang.
De kern van dit alles is het batterijbeheersysteem (BMS). Dit apparaat fungeert als bewaker van de batterij en bewaakt voortdurend spanningen, stromen en temperaturen om ervoor te zorgen dat de cellen binnen veilige grenzen werken. In elk lithium-ionbatterijpakket is de aanwezigheid van een geïntegreerd of extern BMS van cruciaal belang voor de bescherming van de cellen. Het BMS zorgt niet alleen voor de veiligheid, maar verlengt ook de levensduur van de batterijen. Aangezien lithium-ionbatterijen aanzienlijk langer meegaan dan conventionele opslagapparaten, wordt het absoluut noodzakelijk om prioriteit te geven aan de bescherming ervan voor langdurig gebruik.
Het voorkomen van problemen in de batterij-industrie vereist zorgvuldige aandacht voor celkwaliteit, verpakkingsontwerp en de implementatie van een betrouwbaar batterijbeheersysteem. Deze collectieve maatregelen dragen bij aan de algehele veiligheid en duurzaamheid van lithium-ionbatterijen, waardoor de industrie kan floreren en tegelijkertijd de potentiële risico’s worden geminimaliseerd.
Belang van batterijbeheersystemen
Het batterijbeheersysteem (BMS) speelt een cruciale rol bij het bewaken en regelen van de spanningen, stromen en temperaturen van een batterij. De primaire functie ervan is ervoor te zorgen dat de batterij binnen veilige grenzen werkt. Als het BMS afwijkingen detecteert of de cellimieten overschrijdt, heeft het de mogelijkheid om het laad- of ontlaadproces te onderbreken.
In eenvoudiger bewoordingen houdt het BMS de vitale functies van de batterij in de gaten. Het controleert voortdurend de spanningsniveaus, stroomsterkte en temperatuur om er zeker van te zijn dat alles goed functioneert. Als er problemen worden gedetecteerd, zoals overmatige hitte of onregelmatige spanning, kan het actie ondernemen om de batterij te beschermen.
Een van de belangrijkste taken van het BMS is het voorkomen van overladen of ontladen van de batterij. Overladen kan schade aan de batterijcellen veroorzaken en hun levensduur verkorten, terwijl overmatig ontladen kan leiden tot prestatievermindering. Het BMS zorgt ervoor dat de accu de juiste hoeveelheid lading krijgt en voorkomt dat deze te vol of te leeg raakt.
Beschouw het BMS als de bewaker van de batterij. Hij is altijd waakzaam, klaar om in te grijpen en de batterij te beschermen tegen mogelijke schade. Door de parameters van de batterij te bewaken en te reguleren, helpt het BMS de algehele levensduur te verlengen en optimale prestaties te behouden.
Welke functies moeten aanwezig zijn op een GBS?
Wij willen mijn mening delen over de minimale vereisten voor een BMS om de bescherming en levensduur van het accupakket te garanderen.
Ten eerste is spanningsbeveiliging essentieel. Het is van cruciaal belang om overladen en ontladen van de batterij te voorkomen. We moeten een veilig spanningsbereik handhaven om schade aan de cellen te voorkomen en hun levensduur te maximaliseren. We moeten overigens ook overwegen om te voorkomen dat de roedel stromen levert die zijn capaciteit te boven gaan, niet alleen op celniveau, maar ook voor de hele roedel.
Temperatuurbescherming is een ander essentieel aspect. Wanneer de temperatuur te hoog oploopt, kan dit tot potentiële risico's en storingen leiden. Daarom is het van cruciaal belang dat er mechanismen zijn om hoge temperaturen te monitoren en te beheersen. Op dezelfde manier is het belangrijk om bescherming tegen opladen bij lage temperaturen te hebben om problemen zoals lithiummetaalbeplating op de anode als gevolg van extreem koude omstandigheden te voorkomen.
Bovendien is een nuttige functie, hoewel niet absoluut noodzakelijk, de mogelijkheid om de cellen binnen een reeks in evenwicht te brengen. Parallel geschakelde cellen delen natuurlijk stroom en spanning, maar cellen in serie doen dat niet. Om een uniforme ladingstoestand (SOC) tussen de cellen te behouden, is een balanceringsmechanisme of een extra mogelijkheid voor het delen van stroom vereist.
Hoewel we de specifieke normen voor testen door derden niet hebben besproken, is het ten slotte de moeite waard te vermelden dat er bestaande normen zijn die testlaboratoria van derden kunnen gebruiken voor de beoordeling van de naleving.
Normen
Er bestaat vaak verwarring over de verschillende vermeldingen voor cellen, batterijpakketten en batterijbeheersystemen. Laten we de zaken een beetje verduidelijken. Lithium-ioncellen kunnen worden getest en vermeld volgens de UL 1642- of IEC 62133-normen.
Batterijpakketten hebben daarentegen hun eigen vermeldingen. Ze kunnen worden vermeld onder UL 2050 of UL 1973, die beide als voorwaarde vereisen dat aan UL 1642 wordt voldaan. Het is belangrijk op te merken dat UL 1642 zelf geen pakketvermelding is, maar eerder een voorwaarde voor deze pakketvermeldingen.
In een poging een lijst te maken die van toepassing is op zowel cellen als pakketten, heeft de IEC IEC 62133 geïntroduceerd. Het is echter de moeite waard te vermelden dat batterijbeheersystemen (BMS) ook hun eigen afzonderlijke lijsten hebben.
Voor hardware kan het BMS worden vermeld volgens UL 991, terwijl het voor software kan worden vermeld volgens UL 1998 of IEC 60730-1. Het is belangrijk op te merken dat UL 991 en UL 1998 geen vereisten zijn voor UL 2054- of UL 1973-vermeldingen.
Als uw gebouwbeheersysteem echter niet aan deze normen voldoet, moet u tests uitvoeren met behulp van foutcondities om ervoor te zorgen dat er zelfs in het geval van een storing geen gevaarlijke situatie ontstaat.
Het is belangrijk om te onthouden dat dit geen uitputtende lijst van normen is, maar ik wilde hun bestaan benadrukken en enige verduidelijking geven.
Conclusie
Door het werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen te begrijpen en rekening te houden met factoren als celkwaliteit, batterijontwerp en een robuust batterijbeheersysteem, kunnen we de veiligheid en betrouwbaarheid van de batterij verbeteren. Het naleven van relevante normen en het uitvoeren van grondige tests dragen verder bij aan het veilige en efficiënte gebruik van lithium-ionbatterijen.
Met voortdurende technologische vooruitgang en een focus op veiligheid zullen lithium-ionbatterijen een belangrijke rol blijven spelen in onze geëlektrificeerde wereld, waarbij ze verschillende toepassingen aandrijven en tegelijkertijd de risico's beperken.
Gerelateerde artikelen:
