Viktige takeaways:
- Utbredelse og operasjon: Litium-ion-batterier er mye brukt for sin høye energitetthet og ingen minneeffekt. De opererer gjennom reversibel bevegelse av litiumioner mellom katoden og anoden.
- Årsaker til feil: Vanlige årsaker til batterisvikt inkluderer organisk elektrolyttfordampning, separatorsmelting, oksygenfrigjøring, ukontrollert lading, hurtiglading ved lave temperaturer, fullstendig utladning og produksjonsfeil.
- Forebyggingsstrategier: For å sikre batterilevetid kreves det bruk av høykvalitetsceller, effektiv batteripakkedesign og et pålitelig batteristyringssystem (BMS).
- BMS viktighet og funksjoner: En BMS er avgjørende for å overvåke spenning, temperatur og cellebalanse. Den skal være i samsvar med sikkerhetsstandarder som UL 1642 og IEC 62133 for celler, og UL 991 eller UL 1998 for BMS-programvare.
Litium-ion batterier er rundt oss og driver våre smarttelefoner, bærbare datamaskiner, elektriske kjøretøyer og fornybare energilagringssystemer.
I dette innlegget vil vi utforske det grunnleggende om disse batteriene, inkludert hvordan de fungerer, fordelene deres, vanlige årsaker til feil og forebyggingsmetoder.
Hvorfor bruke litium-ion-batterier?
Litium-ion-batterier har blitt populære på grunn av deres høye energitetthet. De er overlegne bly-syre-, nikkel-kadmium- og nikkel-metallhydridbatterier både i volum og massebasert energitetthet.
Overgangen fra nikkel-kadmium- til nikkel-metallhydrid-batterier har ført til utstrakt bruk av litium-ion-batterier. Disse batteriene gir ikke bare den høyeste energitettheten, men har heller ingen minneeffekt. Dette betyr at deres kapasitet ikke påvirkes av en full eller delvis ladning eller utladning.
Dessuten har litium-ion-batterier lav toksisitet. Spesielt den litiumjernfosfatbatterier, de inneholder ikke tungmetaller som kobolt. De har også lengre levetid enn alternative kjemier, noe som sikrer pålitelighet i ulike bruksområder.
Hvordan fungerer litium-ion-batterier?
For å forstå sikkerhetsproblemene rundt litiumionbatterier, er det viktig å forstå hvordan de fungerer. Som enhver elektrokjemisk celle består et litiumionbatteri av en katode og en anode. Katoden inneholder vanligvis et litiumsalt, slik som litiumoksid eller litiumfosfat, mens anoden typisk er laget av grafitt.
Når du lader et litiumionbatteri, beveger litiumionene (representert av svarte prikker) seg fra litiumoksydsaltet til grafittanoden. Denne bevegelsen, kjent som interkalering, involverer ikke direkte interaksjon mellom ionene og elektronene. I stedet strømmer elektronene fra katoden til anoden, hvor de reagerer med karbonet i grafitten.
Det er verdt å nevne at i motsetning til litiummetallbatterier, som er ikke-oppladbare, tillater litiumionbatterier reversibel interkalering av litiumioner. Denne banebrytende innovasjonen tildelte John Goodenough og Stan Winningham Nobelprisen i kjemi. Litiumionene gjennomgår diffusjon gjennom en organisk elektrolyttvæske, noe som muliggjør deres frem- og tilbakebevegelse mellom anoden og katoden.
I den følgende delen vil vi grave mer inn i den organiske elektrolytten og dens funksjon for å hjelpe til med jevn drift av litiumion-batterier.
LCO, LMO, NCA
La oss starte med å diskutere katoden og litiumsaltene som vanligvis brukes i litiumionbatterier. Den første vi skal studere er litiumkoboltoksid, som er utbredt i bærbare datamaskiner, elektroverktøy og mobiltelefoner. Når batteriet utlades, separeres litiumet fra litiumkoboltoksidet, og frigjør et elektron som går gjennom laderen til anoden. Denne prosedyren etterlater koboltoksid på katoden.
Et annet salt som brukes som katodemateriale er litiummanganoksid. Denne typen katode ble brukt i Nissan Leaf og kan også finnes i forskjellige Tesla-modeller som Model S, Model 3 og Model X.
Til slutt har vi litium-nikkel-kobolt-aluminiumoksid, som gir den høyeste energikapasiteten per masse og volum.
Årsaker til Li-ion-batterifeil
For å forhindre Li-ion-batterifeil, er det viktig å være klar over faktorene som kan føre til slike problemer. La oss se nærmere på noen vanlige årsaker.
Organisk elektrolyttfordampning
Hvis et Li-ion-batteri blir for varmt, kan den organiske elektrolytten inni fordampe. Denne fordampningen øker trykket og temperaturen i cellen. Som et resultat kan batteriet bule, noe som indikerer tilstedeværelsen av farlige forhold.
Separator Smelting
Li-ion-batterier bruker vanligvis en separator laget av polyetylen eller polypropylen. Når den utsettes for temperaturer rundt 80 grader Celsius (170-180 grader Fahrenheit), kan denne separatoren smelte. Smeltingen av separatoren lar anoden og katoden komme i kontakt, noe som fører til en intern kortslutning og genererer ekstra varme.
Oksygenfrigjøring og ukontrollerte reaksjoner
Når et Li-ion-batteri når høye temperaturer, kan oksygenet som finnes i katodematerialer som litiumkoboltoksid, litiummanganoksid eller litiumnikkelkoboltaluminiumoksid frigjøres. Dette frigjorte oksygenet kan reagere med den fordampede elektrolytten, og forårsake ukontrollerte kjemiske reaksjoner. Den kontinuerlige kortslutningen forverrer situasjonen ytterligere, noe som gjør det avgjørende å løse den umiddelbart.
Ukontrollert ladning
Overlading av batteriet eller å utsette det for en ukontrollert ladning kan føre til dannelse av litiummetall på anoden. Overskytende elektroner kombineres med litiumioner, og danner dendritter som vokser gjennom elektrolytten og inn i katoden. Disse dendrittene kan skape interne kortslutninger, noe som utgjør en alvorlig risiko.
Rask lading og lave temperaturer
Lading av batteriet ved svært høye strømmer eller lave temperaturer kan hindre bevegelsen av litiumioner inn i anoden. Følgelig kan et overskudd av elektroner samle seg på anoden, noe som forårsaker litiummetallbelegg og potensielle interne kortslutninger.
Fullstendig utladning
Unngå å fullstendig utlade en litiumioncelle. Overutlading kan føre til at kobbersamleren på anoden løses opp i elektrolytten. Ved opplading kan kobberet reformeres, men ikke i sin opprinnelige folielignende struktur. Dette kan føre til kobberbelegg og resultere i en intern kortslutning.
Dårlig celleproduksjon og forurensning
Li-ion batterifeil kan også oppstå på grunn av produksjonsfeil eller tilstedeværelse av urenheter under produksjon. Disse urenhetene kan introdusere forurensninger eller partikler i batteriet, noe som fører til interne kortslutninger eller uønskede reaksjoner som akselererer kapasitetsnedbrytningen.
Ved å forstå og adressere disse årsakene til Li-ion-batterifeil, kan vi jobbe for å forbedre batterisikkerheten, påliteligheten og levetiden i ulike applikasjoner.
Forhindrer batterisvikt
Å forhindre problemer i batteriindustrien er avgjørende for dens fortsatte vekst og suksess. Det er tre nøkkeltrinn som kan tas for å effektivt minimere forekomsten av problemer.
Først og fremst er det av ytterste viktighet å sikre kvaliteten på battericellene. Med den raske ekspansjonen av industrien har det dukket opp en rekke celleproduksjonsanlegg, spesielt i Kina. Det er avgjørende å nøye velge høykvalitetsceller fra anerkjente produsenter. Noen anlegg kan skilte med toppmoderne, høyteknologiske automatiserte prosesser, mens andre kanskje ikke oppfyller de samme standardene. Valget av cellekvalitet påvirker den generelle ytelsen og påliteligheten direkte.
Utformingen av batteripakken spiller også en viktig rolle for å forhindre hendelser. Batteripakker består av flere celler arrangert i serier og parallelle konfigurasjoner, og skaper ønsket spenning og strømkapasitet. Når du designer en pakke, er det viktig å vurdere effektiv varmespredning i tilfelle uforutsette hendelser. Å forstå hvordan pakken vil reagere på potensielle celleproblemer er avgjørende for å opprettholde sikkerheten. Videre, hvis systemet krever å levere betydelige mengder strøm, er det avgjørende å sikre effektiv distribusjon gjennom pålitelige kontakter og kretskort.
I kjernen av det hele er batteristyringssystemet (BMS). Denne enheten fungerer som batteriets vokter, og overvåker kontinuerlig spenninger, strømmer og temperaturer for å sikre at cellene fungerer innenfor sikre grenser. I enhver litiumion-batteripakke er tilstedeværelsen av en integrert eller ekstern BMS avgjørende for å beskytte cellene. BMS sikrer ikke bare sikkerhet, men forbedrer også levetiden til batteriene. Gitt at litium-ion-batterier kan overleve konvensjonelle lagringsenheter med en betydelig margin, blir det viktig å prioritere beskyttelsen deres for langvarig bruk.
Forebygging av problemer i batteriindustrien krever nøye oppmerksomhet til cellekvalitet, pakkedesign og implementering av et pålitelig batteristyringssystem. Disse kollektive tiltakene bidrar til den generelle sikkerheten og holdbarheten til litium-ion-batterier, og gjør det mulig for industrien å trives samtidig som potensielle risikoer minimeres.
Viktigheten av batteristyringssystemer
Batteristyringssystemet (BMS) spiller en avgjørende rolle i overvåking og kontroll av spenninger, strømmer og temperaturer til et batteri. Dens primære funksjon er å sikre at batteriet fungerer innenfor sikre grenser. Hvis BMS oppdager noen avvik eller overskrider cellegrensene, har den muligheten til å avbryte lade- eller utladingsprosessen.
I enklere termer holder BMS et øye med batteriets vitale tegn. Den sjekker konstant spenningsnivåene, strømstrømmen og temperaturen for å sikre at alt fungerer som det skal. Hvis den oppdager problemer, for eksempel overdreven varme eller uregelmessig spenning, kan den iverksette tiltak for å beskytte batteriet.
En av hovedoppgavene til BMS er å forhindre overlading eller overutlading av batteriet. Overlading kan forårsake skade på battericellene og redusere levetiden deres, mens overutlading kan føre til forringelse av ytelsen. BMS sørger for at batteriet får riktig mengde lading og forhindrer at det blir for fullt eller for tomt.
Tenk på BMS som batteriets vokter. Den er alltid på vakt, klar til å gå inn og beskytte batteriet mot potensiell skade. Ved å overvåke og regulere batteriets parametere, hjelper BMS med å forlenge dens totale levetid og opprettholde optimal ytelse.
Hvilke funksjoner bør være til stede på en BMS?
Vi ønsker å dele min mening om minimumskravene til en BMS for å sikre beskyttelsen og levetiden til batteripakken.
For det første er spenningsbeskyttelse viktig. Det er avgjørende å forhindre overlading og overutlading av batteriet. Vi må opprettholde et trygt spenningsområde for å unngå å skade cellene og maksimere deres levetid. Vi bør forresten også vurdere å forhindre at pakken leverer strømmer som overskrider kapasiteten, ikke bare på cellenivå, men også for hele pakken.
Temperaturbeskyttelse er et annet viktig aspekt. Når temperaturen stiger for høyt, kan det føre til potensielle risikoer og feil. Derfor er det avgjørende å ha mekanismer på plass for å overvåke og kontrollere høye temperaturer. På samme måte er det viktig å ha lavtemperaturladingsbeskyttelse for å forhindre problemer som litiummetallbelegg på anoden på grunn av for kalde forhold.
Videre er en nyttig funksjon, selv om den ikke er absolutt nødvendig, muligheten til å balansere cellene i en serie. Celler i parallell deler naturlig strøm og spenning, men celler i serie gjør det ikke. For å opprettholde en enhetlig ladetilstand (SOC) blant cellene, kreves det en balanseringsmekanisme eller ekstra strømdelingsevne.
Til slutt, selv om vi ikke diskuterte spesifikke standarder for tredjeparts testing, er det verdt å nevne at det er eksisterende standarder som tredjeparts testlaboratorier kan bruke for samsvarsvurdering.
Standarder
Det er ofte forvirring angående de forskjellige oppføringene for celler, batteripakker og batteristyringssystemer. La oss avklare ting litt. Litium-ion-celler kan testes og listes opp i henhold til UL 1642 eller IEC 62133 standarder.
Batteripakker har derimot sine egne oppføringer. De kan være oppført under enten UL 2050 eller UL 1973, som begge krever samsvar med UL 1642 som en forutsetning. Det er viktig å merke seg at UL 1642 i seg selv ikke er en pakkeliste, men snarere en forutsetning for disse pakkelistene.
I et forsøk på å lage en oppføring som gjelder både celler og pakker, introduserte IEC IEC 62133. Det er imidlertid verdt å nevne at batteristyringssystemer (BMS) også har sine egne separate oppføringer.
For maskinvare kan BMS oppføres til UL 991, mens for programvare kan det oppføres til UL 1998 eller IEC 60730-1. Det er viktig å merke seg at UL 991 og UL 1998 ikke er forutsetninger for UL 2054 eller UL 1973 oppføringer.
Men hvis din BMS ikke er oppført i henhold til disse standardene, må du utføre testing ved å bruke feiltilstander for å sikre at det ikke skapes en farlig situasjon selv i tilfelle feil.
Det er viktig å huske at dette ikke er en uttømmende liste over standarder, men jeg ønsket å fremheve deres eksistens og gi en avklaring.
Konklusjon
Ved å forstå arbeidsprinsippet til litium-ion-batterier og vurdere faktorer som cellekvalitet, pakkedesign og et robust batteristyringssystem, kan vi forbedre batterisikkerheten og påliteligheten. Overholdelse av relevante standarder og gjennomføring av grundige tester bidrar ytterligere til sikker og effektiv bruk av litiumion-batterier.
Med kontinuerlige fremskritt innen teknologi og fokus på sikkerhet, vil litium-ion-batterier fortsette å spille en betydelig rolle i vår elektrifiserte verden, og drive ulike applikasjoner samtidig som de reduserer risiko.
Relaterte artikler:
