Ключевые выводы:
- Распространенность и действие: Литий-ионные аккумуляторы широко используются из-за их высокой плотности энергии и отсутствия эффекта памяти. Они действуют за счет обратимого движения ионов лития между катодом и анодом.
- Причины неудач: К частым причинам выхода из строя аккумулятора относятся испарение органического электролита, плавление сепаратора, выделение кислорода, неконтролируемая зарядка, быстрая зарядка при низких температурах, полная разрядка и производственные дефекты.
- Стратегии профилактики: Обеспечение долговечности батареи требует использования высококачественных элементов, эффективной конструкции аккумуляторной батареи и надежной системы управления батареями (BMS).
- Важность и особенности BMS: BMS имеет решающее значение для мониторинга напряжения, температуры и баланса ячеек. Он должен соответствовать стандартам безопасности, таким как UL 1642 и IEC 62133 для ячеек, а также UL 991 или UL 1998 для программного обеспечения BMS.
Литий-ионные аккумуляторы повсюду вокруг нас, питая наши смартфоны, ноутбуки, электромобили и системы хранения возобновляемой энергии.
В этом посте мы рассмотрим основы этих батарей, в том числе то, как они работают, их преимущества, распространенные причины неисправностей и методы предотвращения.
Зачем использовать литий-ионные аккумуляторы?
Литий-ионные аккумуляторы стали популярны благодаря своей высокой плотности энергии. Они превосходят свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы как по объемной, так и по массовой плотности энергии.
Переход от никель-кадмиевых к никель-металлогидридным батареям привел к широкому использованию литий-ионных аккумуляторов. Эти батареи не только обеспечивают самую высокую плотность энергии, но и не имеют эффекта памяти. Это означает, что на их емкость не влияет полная или частичная зарядка или разрядка.
Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают низкой токсичностью. Особенно литий-железо-фосфатные батареи, они не содержат тяжелых металлов, таких как кобальт. Кроме того, они имеют более длительный срок службы, чем альтернативные химические материалы, что обеспечивает надежность в различных приложениях.
Как работают литий-ионные аккумуляторы?
Чтобы понять проблемы безопасности, связанные с литий-ионными батареями, важно понять, как они работают. Как и любой электрохимический элемент, литий-ионный аккумулятор состоит из катода и анода. Катод обычно содержит соль лития, такую как оксид лития или фосфат лития, а анод обычно изготавливается из графита.
Когда вы заряжаете литий-ионный аккумулятор, ионы лития (представленные черными точками) перемещаются от соли оксида лития к графитовому аноду. Это движение, известное как интеркаляция, не предполагает прямого взаимодействия между ионами и электронами. Вместо этого электроны перетекают от катода к аноду, где они реагируют с углеродом в графите.
Стоит отметить, что в отличие от литий-металлических батарей, которые не перезаряжаются, литий-ионные батареи допускают обратимую интеркаляцию ионов лития. Это революционное нововведение принесло Джону Гуденафу и Стэну Виннингему Нобелевскую премию по химии. Ионы лития подвергаются диффузии через органический электролит, что обеспечивает их возвратно-поступательное движение между анодом и катодом.
В следующей части мы углубимся в органический электролит и его роль в обеспечении бесперебойной работы литий-ионных батарей.
LCO, LMO, NCA
Давайте начнем с обсуждения катода и солей лития, обычно используемых в литий-ионных батареях. Первым, что мы изучим, является оксид лития-кобальта, который широко распространен в ноутбуках, электроинструментах и сотовых телефонах. Когда аккумулятор разряжается, литий отделяется от оксида лития-кобальта, высвобождая электрон, который проходит через зарядное устройство к аноду. В результате этой процедуры на катоде остается оксид кобальта.
Другой солью, используемой в качестве катодного материала, является оксид лития-марганца. Этот тип катода использовался в Nissan Leaf, а также его можно найти в различных моделях Tesla, таких как Model S, Model 3 и Model X.
Наконец, у нас есть оксид лития, никеля, кобальта и алюминия, который обеспечивает самую высокую энергоемкость по массе и объему.
Причины выхода из строя литий-ионного аккумулятора
Чтобы предотвратить выход из строя литий-ионного аккумулятора, важно знать факторы, которые могут привести к таким проблемам. Давайте подробнее рассмотрим некоторые распространенные причины.
Испарение органического электролита
Если литий-ионный аккумулятор перегреется, органический электролит внутри него может испариться. Это испарение увеличивает давление и температуру внутри клетки. В результате аккумулятор может вздуться, что указывает на наличие опасных условий.
Сепаратор плавления
В литий-ионных батареях обычно используется сепаратор из полиэтилена или полипропилена. При воздействии температуры около 80 градусов по Цельсию (170–180 градусов по Фаренгейту) этот сепаратор может расплавиться. Плавление сепаратора приводит к соприкосновению анода и катода, что приводит к внутреннему короткому замыканию и выделению дополнительного тепла.
Выделение кислорода и неконтролируемые реакции
Когда литий-ионный аккумулятор достигает высоких температур, кислород, присутствующий в катодных материалах, таких как оксид лития-кобальта, оксид лития-марганца или оксид лития-никеля-кобальта-алюминия, может высвободиться. Выделившийся кислород может вступить в реакцию с испаренным электролитом, вызывая неконтролируемые химические реакции. Постоянное короткое замыкание еще больше усугубляет ситуацию, поэтому крайне важно срочно ее устранить.
Неконтролируемый заряд
Перезаряд аккумулятора или неконтролируемый заряд может привести к образованию металлического лития на аноде. Избыточные электроны соединяются с ионами лития, образуя дендриты, которые прорастают через электролит в катод. Эти дендриты могут создавать внутренние короткие замыкания, что представляет серьезную опасность.
Быстрая зарядка и низкие температуры
Зарядка аккумулятора при очень высоких токах или низких температурах может препятствовать движению ионов лития к аноду. Следовательно, на аноде может накапливаться избыток электронов, вызывая литий-металлическое покрытие и потенциальные внутренние короткие замыкания.
Полная разрядка
Избегайте полной разрядки литий-ионного аккумулятора. Чрезмерная разрядка может привести к растворению медного коллектора на аноде в электролите. При перезарядке медь может восстановиться, но не в своей первоначальной структуре, напоминающей фольгу. Это может привести к омеднению и стать причиной внутреннего короткого замыкания.
Плохое производство клеток и загрязнение
Неисправности литий-ионных аккумуляторов также могут возникнуть из-за производственного брака или наличия примесей при производстве. Эти примеси могут попадать в батарею загрязняющих веществ или твердых частиц, что приводит к внутренним коротким замыканиям или нежелательным реакциям, которые ускоряют снижение емкости.
Понимая и устраняя эти причины выхода из строя литий-ионных аккумуляторов, мы можем работать над повышением безопасности, надежности и долговечности аккумуляторов в различных приложениях.
Предотвращение выхода из строя батареи
Предотвращение проблем в аккумуляторной отрасли имеет решающее значение для ее дальнейшего роста и успеха. Есть три ключевых шага, которые можно предпринять, чтобы эффективно свести к минимуму возникновение проблем.
Прежде всего, обеспечение качества аккумуляторных элементов имеет первостепенное значение. С быстрым развитием отрасли появились многочисленные предприятия по производству клеток, особенно в Китае. Крайне важно тщательно выбирать качественные элементы от надежных производителей. Некоторые предприятия могут похвастаться самыми современными, высокотехнологичными автоматизированными процессами, тогда как другие могут не соответствовать тем же стандартам. Выбор качества ячейки напрямую влияет на общую производительность и надежность.
Конструкция аккумуляторной батареи также играет жизненно важную роль в предотвращении инцидентов. Аккумуляторные батареи состоят из нескольких ячеек, расположенных последовательно и параллельно, создавая необходимое напряжение и ток. При проектировании упаковки важно учитывать эффективное рассеивание тепла на случай непредвиденных событий. Понимание того, как упаковка будет реагировать на потенциальные проблемы с элементами, жизненно важно для обеспечения безопасности. Более того, если система требует подачи значительного количества тока, обеспечение эффективного распределения через надежные контакты и печатные платы становится первостепенным.
В основе всего лежит система управления аккумулятором (BMS). Это устройство служит хранителем батареи, постоянно контролируя напряжение, ток и температуру, чтобы гарантировать, что элементы работают в безопасных пределах. В любом литий-ионном аккумуляторе наличие встроенной или внешней BMS имеет решающее значение для защиты элементов. BMS не только обеспечивает безопасность, но и продлевает срок службы батарей. Учитывая, что литий-ионные аккумуляторы могут значительно превзойти обычные устройства хранения данных, становится обязательным уделить приоритетное внимание их защите при длительном использовании.
Предотвращение проблем в аккумуляторной промышленности требует пристального внимания к качеству элементов, конструкции упаковки и внедрению надежной системы управления батареями. Эти коллективные меры способствуют общей безопасности и долговечности литий-ионных аккумуляторов, позволяя отрасли процветать и минимизируя потенциальные риски.
Важность систем управления батареями
Система управления аккумулятором (BMS) играет решающую роль в мониторинге и контроле напряжения, тока и температуры аккумулятора. Его основная функция — обеспечить работу аккумулятора в безопасных пределах. Если BMS обнаруживает какие-либо отклонения или превышает пределы ячеек, она имеет возможность прервать процесс зарядки или разрядки.
Проще говоря, BMS следит за жизненными показателями батареи. Он постоянно проверяет уровни напряжения, ток и температуру, чтобы убедиться, что все работает правильно. Если он обнаружит какие-либо проблемы, такие как чрезмерный нагрев или нестабильное напряжение, он может принять меры для защиты аккумулятора.
Одной из ключевых задач BMS является предотвращение перезаряда или переразряда аккумулятора. Чрезмерная зарядка может привести к повреждению элементов аккумулятора и сокращению срока их службы, а чрезмерная разрядка может привести к снижению производительности. BMS гарантирует, что аккумулятор получает необходимый объем заряда, и предотвращает его слишком полную или слишком полную разрядку.
Думайте о BMS как о хранителе батареи. Он всегда начеку, готов вмешаться и защитить батарею от потенциального вреда. Контролируя и регулируя параметры аккумулятора, BMS помогает продлить его общий срок службы и поддерживать оптимальную производительность.
Какие функции должны присутствовать в BMS?
Мы хотим поделиться своим мнением о минимальных требованиях к BMS, обеспечивающих защиту и долговечность аккумуляторной батареи.
Во-первых, необходима защита по напряжению. Крайне важно не допускать перезаряда и чрезмерного разряда аккумулятора. Нам необходимо поддерживать безопасный диапазон напряжения, чтобы избежать повреждения элементов и максимально увеличить срок их службы. Кстати, нам также следует подумать о том, чтобы блок не выдавал токи, превышающие его мощность, не только на уровне ячейки, но и на уровне всего блока.
Температурная защита – еще один важный аспект. Когда температура поднимается слишком высоко, это может привести к потенциальным рискам и сбоям. Поэтому наличие механизмов мониторинга и контроля высоких температур имеет решающее значение. Точно так же важно иметь защиту от низкотемпературной зарядки, чтобы предотвратить такие проблемы, как литий-металлическое покрытие на аноде из-за чрезмерно холодных условий.
Кроме того, одной полезной функцией, хотя и не абсолютно необходимой, является возможность балансировки ячеек внутри серии. Ячейки, включенные параллельно, естественным образом разделяют ток и напряжение, а ячейки, включенные последовательно, — нет. Для поддержания одинакового состояния заряда (SOC) между ячейками требуется механизм балансировки или дополнительная возможность разделения тока.
Наконец, хотя мы не обсуждали конкретные стандарты стороннего тестирования, стоит упомянуть, что существуют существующие стандарты, которые сторонние тестовые лаборатории могут использовать для оценки соответствия.
Стандарты
Часто возникает путаница в отношении различных списков элементов, аккумуляторных блоков и систем управления батареями. Давайте немного проясним ситуацию. Литий-ионные элементы могут быть протестированы и внесены в список в соответствии со стандартами UL 1642 или IEC 62133.
С другой стороны, аккумуляторные блоки имеют свои собственные списки. Они могут быть внесены в список либо UL 2050, либо UL 1973, оба из которых требуют соответствия UL 1642 в качестве предварительного условия. Важно отметить, что UL 1642 сам по себе не является списком упаковки, а скорее обязательным условием для этих списков упаковки.
Пытаясь создать список, применимый как к элементам, так и к блокам, МЭК представила стандарт IEC 62133. Однако стоит отметить, что системы управления батареями (BMS) также имеют свои отдельные списки.
Для аппаратного обеспечения BMS может соответствовать UL 991, а для программного обеспечения — UL 1998 или IEC 60730-1. Важно отметить, что UL 991 и UL 1998 не являются обязательными условиями для включения в списки UL 2054 или UL 1973.
Однако если ваша система BMS не соответствует этим стандартам, вам необходимо будет провести тестирование с использованием условий неисправности, чтобы гарантировать, что даже в случае сбоя не создастся опасная ситуация.
Важно помнить, что это не исчерпывающий список стандартов, но я хотел подчеркнуть их существование и дать некоторые пояснения.
Заключение
Понимая принцип работы литий-ионных аккумуляторов и учитывая такие факторы, как качество элементов, конструкция упаковки и надежная система управления аккумуляторами, мы можем повысить безопасность и надежность аккумуляторов. Соблюдение соответствующих стандартов и проведение тщательных испытаний еще больше способствуют безопасному и эффективному использованию литий-ионных аккумуляторов.
Благодаря постоянному развитию технологий и повышенному вниманию к безопасности литий-ионные аккумуляторы будут продолжать играть важную роль в нашем электрифицированном мире, обеспечивая питание различных приложений и одновременно снижая риски.
Статьи по Теме:
