Kľúčové poznatky:
- Prevalencia a prevádzka: Lítium-iónové batérie sú široko používané pre ich vysokú hustotu energie a žiadny pamäťový efekt. Fungujú prostredníctvom reverzibilného pohybu lítiových iónov medzi katódou a anódou.
- Príčiny zlyhania: Bežné príčiny zlyhania batérie zahŕňajú odparovanie organického elektrolytu, tavenie separátora, uvoľňovanie kyslíka, nekontrolované nabíjanie, rýchle nabíjanie pri nízkych teplotách, úplné vybitie a výrobné chyby.
- Stratégie prevencie: Zaistenie dlhej životnosti batérie si vyžaduje použitie vysokokvalitných článkov, efektívny dizajn batérie a spoľahlivý systém správy batérie (BMS).
- Význam a vlastnosti BMS: BMS je rozhodujúci pre monitorovanie napätia, teploty a rovnováhy buniek. Mal by spĺňať bezpečnostné normy ako UL 1642 a IEC 62133 pre články a UL 991 alebo UL 1998 pre softvér BMS.
Lítium-iónové batérie sú všade okolo nás a poháňajú naše smartfóny, notebooky, elektrické vozidlá a systémy na ukladanie energie z obnoviteľných zdrojov.
V tomto príspevku preskúmame základy týchto batérií vrátane toho, ako fungujú, ich výhody, bežné príčiny zlyhania a metódy prevencie.
Prečo používať lítium-iónové batérie?
Lítium-iónové batérie sa stali obľúbenými vďaka svojej vysokej hustote energie. Sú lepšie ako oloveno-kyselinové, nikel-kadmiové a nikel-metal hydridové batérie v objemovej aj hmotnostnej hustote energie.
Prechod z nikel-kadmiových na nikel-metal hydridové batérie viedol k širokému používaniu lítium-iónových batérií. Tieto batérie ponúkajú nielen najvyššiu hustotu energie, ale nemajú ani pamäťový efekt. To znamená, že ich kapacita nie je ovplyvnená úplným alebo čiastočným nabitím alebo vybitím.
Okrem toho majú lítium-iónové batérie nízku toxicitu. Najmä ten lítium-železofosfátové batérie, neobsahujú ťažké kovy ako kobalt. Okrem toho majú dlhšiu životnosť ako alternatívne chemické látky, čo zaisťuje spoľahlivosť v rôznych aplikáciách.
Ako fungujú lítium-iónové batérie?
Aby ste pochopili bezpečnostné obavy týkajúce sa lítium-iónových batérií, je dôležité pochopiť, ako fungujú. Ako každý elektrochemický článok, aj lítium-iónová batéria pozostáva z katódy a anódy. Katóda zvyčajne obsahuje lítiovú soľ, ako je oxid lítny alebo fosforečnan lítny, zatiaľ čo anóda je typicky vyrobená z grafitu.
Keď nabíjate lítium-iónovú batériu, lítiové ióny (znázornené čiernymi bodkami) sa presunú zo soli oxidu lítneho na grafitovú anódu. Tento pohyb, známy ako interkalácia, nezahŕňa priamu interakciu medzi iónmi a elektrónmi. Namiesto toho prúdia elektróny z katódy na anódu, kde reagujú s uhlíkom v grafite.
Stojí za zmienku, že na rozdiel od lítiových kovových batérií, ktoré sú nenabíjateľné, lítium-iónové batérie umožňujú reverzibilnú interkaláciu lítiových iónov. Táto prelomová inovácia udelila Johnovi Goodenoughovi a Stanovi Winninghamovi Nobelovu cenu za chémiu. Lítiové ióny podliehajú difúzii cez organickú elektrolytickú tekutinu, čo umožňuje ich pohyb tam a späť medzi anódou a katódou.
V nasledujúcej časti sa budeme venovať viac organickému elektrolytu a jeho funkcii pri napomáhaní plynulej prevádzke lítium-iónových batérií.
LCO, LMO, NCA
Začnime diskusiou o katóde a lítiových soliach, ktoré sa zvyčajne používajú v lítium-iónových batériách. Prvým, ktorý budeme študovať, je oxid kobaltnatý lítny, ktorý je rozšírený v notebookoch, elektrickom náradí a mobilných telefónoch. Keď sa batéria vybije, lítium sa oddelí od oxidu lítneho a kobaltu, čím sa uvoľní elektrón, ktorý putuje cez nabíjačku k anóde. Tento postup zanecháva na katóde oxid kobaltu.
Ďalšou soľou používanou ako katódový materiál je oxid lítny a mangánu. Tento typ katódy bol použitý v Nissan Leaf a možno ho nájsť aj v rôznych modeloch Tesla, ako sú Model S, Model 3 a Model X.
Nakoniec máme lítium-nikel-kobaltový oxid hlinitý, ktorý poskytuje najvyššiu energetickú kapacitu na hmotnosť a objem.
Príčiny zlyhania Li-ion batérie
Aby ste predišli poruchám Li-ion batérie, je dôležité poznať faktory, ktoré môžu viesť k takýmto problémom. Pozrime sa bližšie na niektoré bežné príčiny.
Odparovanie organického elektrolytu
Ak sa lítium-iónová batéria príliš zahreje, organický elektrolyt vo vnútri sa môže odpariť. Toto vyparovanie zvyšuje tlak a teplotu vo vnútri článku. V dôsledku toho môže dôjsť k vydutiu batérie, čo naznačuje prítomnosť nebezpečných podmienok.
Tavenie separátora
Li-ion batérie zvyčajne používajú separátor vyrobený z polyetylénu alebo polypropylénu. Pri vystavení teplotám okolo 80 stupňov Celzia (170-180 stupňov Fahrenheita) sa tento separátor môže roztaviť. Roztavenie separátora umožňuje, aby sa anóda a katóda dostali do kontaktu, čo vedie k vnútornému skratu a vytváraniu dodatočného tepla.
Uvoľňovanie kyslíka a nekontrolované reakcie
Keď lítium-iónová batéria dosiahne vysoké teploty, môže sa uvoľniť kyslík prítomný v katódových materiáloch, ako je oxid lítium-kobaltnatý, oxid lítium-mangánový alebo oxid lítium-nikel-kobalt-hlinitý. Tento uvoľnený kyslík môže reagovať s odpareným elektrolytom a spôsobiť nekontrolované chemické reakcie. Nepretržitý skrat situáciu ešte viac zhoršuje, a preto je nevyhnutné ho urýchlene riešiť.
Nekontrolované nabíjanie
Prebíjanie batérie alebo jej vystavenie nekontrolovanému nabíjaniu môže viesť k vytvoreniu kovového lítia na anóde. Prebytočné elektróny sa spájajú s iónmi lítia a vytvárajú dendrity, ktoré rastú cez elektrolyt a do katódy. Tieto dendrity môžu vytvárať vnútorné skraty, čo predstavuje vážne riziko.
Rýchle nabíjanie a nízke teploty
Nabíjanie batérie pri veľmi vysokých prúdoch alebo nízkych teplotách môže brániť pohybu lítiových iónov do anódy. V dôsledku toho sa na anóde môže nahromadiť nadbytok elektrónov, čo spôsobí pokovovanie lítiom a potenciálne vnútorné skraty.
Úplné vybitie
Vyhnite sa úplnému vybitiu lítium-iónového článku. Nadmerné vybíjanie môže spôsobiť, že sa medený kolektor na anóde rozpustí v elektrolyte. Pri nabíjaní sa meď môže reformovať, ale nie vo svojej pôvodnej fóliovej štruktúre. To môže viesť k pomedeniu a spôsobiť vnútorný skrat.
Slabá bunková produkcia a kontaminácia
K poruchám lítium-iónových batérií môže dôjsť aj v dôsledku výrobných chýb alebo prítomnosti nečistôt počas výroby. Tieto nečistoty môžu do batérie vniesť kontaminanty alebo častice, čo vedie k vnútorným skratom alebo nežiaducim reakciám, ktoré urýchľujú degradáciu kapacity.
Pochopením a riešením týchto príčin zlyhania lítium-iónových batérií môžeme pracovať na zvýšení bezpečnosti, spoľahlivosti a životnosti batérie v rôznych aplikáciách.
Predchádzanie zlyhaniu batérie
Prevencia problémov v batériovom priemysle je kľúčová pre jeho neustály rast a úspech. Existujú tri kľúčové kroky, ktoré možno podniknúť na efektívne minimalizovanie výskytu problémov.
V prvom rade je mimoriadne dôležité zabezpečiť kvalitu batériových článkov. S rýchlou expanziou priemyslu sa objavilo množstvo zariadení na výrobu článkov, najmä v Číne. Je dôležité starostlivo vybrať vysokokvalitné články od renomovaných výrobcov. Niektoré zariadenia sa môžu pochváliť špičkovými, high-tech automatizovanými procesmi, zatiaľ čo iné nemusia spĺňať rovnaké štandardy. Výber kvality článkov priamo ovplyvňuje celkový výkon a spoľahlivosť.
Konštrukcia batérie tiež zohráva dôležitú úlohu pri predchádzaní nehodám. Akumulátorové sady pozostávajú z viacerých článkov usporiadaných v sériovej a paralelnej konfigurácii, čím sa vytvára požadovaná napäťová a prúdová kapacita. Pri navrhovaní obalu je nevyhnutné zvážiť efektívny odvod tepla v prípade nepredvídaných udalostí. Pochopenie toho, ako bude balenie reagovať na potenciálne problémy s bunkami, je nevyhnutné pre zachovanie bezpečnosti. Okrem toho, ak systém vyžaduje dodávanie značného množstva prúdu, zabezpečenie efektívnej distribúcie prostredníctvom spoľahlivých kontaktov a dosiek plošných spojov sa stáva prvoradým.
Jadrom toho všetkého je systém správy batérie (BMS). Toto zariadenie slúži ako strážca batérie, nepretržite monitoruje napätie, prúdy a teploty, aby sa zaistilo, že články fungujú v rámci bezpečných limitov. V každom lítium-iónovom akumulátore je prítomnosť integrovaného alebo externého BMS kritická pre ochranu článkov. BMS zaisťuje nielen bezpečnosť, ale tiež zvyšuje životnosť batérií. Vzhľadom na to, že lítium-iónové batérie môžu výrazne prekonať bežné úložné zariadenia, je nevyhnutné uprednostniť ich ochranu pri dlhodobom používaní.
Predchádzanie problémom v priemysle batérií si vyžaduje starostlivú pozornosť kvalite článkov, dizajnu balenia a implementácii spoľahlivého systému správy batérií. Tieto kolektívne opatrenia prispievajú k celkovej bezpečnosti a odolnosti lítium-iónových batérií, čo umožňuje odvetviu prosperovať a zároveň minimalizovať potenciálne riziká.
Význam systémov správy batérií
Systém správy batérie (BMS) hrá kľúčovú úlohu pri monitorovaní a riadení napätí, prúdov a teplôt batérie. Jeho primárnou funkciou je zabezpečiť, aby batéria fungovala v bezpečných medziach. Ak BMS zistí akékoľvek abnormality alebo prekročí limity článkov, má schopnosť prerušiť proces nabíjania alebo vybíjania.
Zjednodušene povedané, BMS dohliada na životné funkcie batérie. Neustále kontroluje úrovne napätia, prietok prúdu a teplotu, aby sa uistil, že všetko funguje správne. Ak zistí akékoľvek problémy, ako je nadmerné teplo alebo nepravidelné napätie, môže podniknúť kroky na ochranu batérie.
Jednou z kľúčových úloh BMS je zabrániť prebitiu alebo nadmernému vybitiu batérie. Prebíjanie môže spôsobiť poškodenie článkov batérie a znížiť ich životnosť, zatiaľ čo nadmerné vybitie môže viesť k zníženiu výkonu. BMS zaisťuje, že sa batéria dostatočne nabije a zabráni jej prílišnému nabitiu alebo prílišnému vybitiu.
Predstavte si BMS ako strážcu batérie. Je vždy v strehu, pripravený zasiahnuť a chrániť batériu pred možným poškodením. Monitorovaním a reguláciou parametrov batérie pomáha BMS predĺžiť jej celkovú životnosť a udržiavať optimálny výkon.
Aké funkcie by mal mať BMS?
Chceme sa podeliť o môj názor na minimálne požiadavky na BMS na zabezpečenie ochrany a dlhej životnosti batérie.
Po prvé, ochrana pred napätím je nevyhnutná. Je dôležité zabrániť prebíjaniu a nadmernému vybíjaniu batérie. Musíme udržiavať bezpečný rozsah napätia, aby sme predišli poškodeniu článkov a maximalizovali ich životnosť. Mimochodom, mali by sme zvážiť aj to, aby sme zabránili tomu, aby balenie dodávalo prúdy, ktoré presahujú jeho kapacitu, a to nielen na úrovni buniek, ale aj pre celé balenie.
Ďalším dôležitým aspektom je ochrana pred teplotou. Keď teploty stúpnu príliš vysoko, môže to viesť k potenciálnym rizikám a poruchám. Preto je rozhodujúce mať zavedené mechanizmy na monitorovanie a kontrolu vysokých teplôt. Podobne je dôležité mať ochranu proti nabíjaniu pri nízkej teplote, aby sa predišlo problémom, ako je pokovovanie lítiom na anóde v dôsledku nadmerne chladných podmienok.
Okrem toho je jednou z užitočných funkcií, aj keď to nie je absolútne nevyhnutné, schopnosť vyrovnávať bunky v sérii. Paralelné články prirodzene zdieľajú prúd a napätie, ale články v sérii nie. Na udržanie jednotného stavu nabitia (SOC) medzi článkami je potrebný vyvažovací mechanizmus alebo extra schopnosť zdieľania prúdu.
Nakoniec, hoci sme nediskutovali o konkrétnych štandardoch pre testovanie tretích strán, stojí za zmienku, že existujú existujúce štandardy, ktoré môžu testovacie laboratóriá tretích strán použiť na posúdenie súladu.
Normy
Často dochádza k nejasnostiam, pokiaľ ide o rôzne zoznamy článkov, batérií a systémov správy batérií. Poďme si veci trochu ujasniť. Lítium-iónové články možno testovať a zaradiť do zoznamu podľa noriem UL 1642 alebo IEC 62133.
Na druhej strane, batérie majú svoje vlastné zoznamy. Môžu byť uvedené buď pod UL 2050 alebo UL 1973, pričom obe vyžadujú súlad s UL 1642 ako predpoklad. Je dôležité poznamenať, že samotný UL 1642 nie je zoznamom balíkov, ale skôr predpokladom pre tieto zoznamy balíkov.
V snahe vytvoriť zoznam, ktorý sa vzťahuje na články aj balíčky, IEC zaviedla IEC 62133. Stojí však za zmienku, že systémy správy batérií (BMS) majú tiež svoje vlastné samostatné zoznamy.
Pre hardvér môže byť BMS uvedený podľa UL 991, zatiaľ čo pre softvér môže byť uvedený podľa UL 1998 alebo IEC 60730-1. Je dôležité poznamenať, že UL 991 a UL 1998 nie sú predpokladom pre zoznamy UL 2054 alebo UL 1973.
Ak však váš BMS nie je uvedený v súlade s týmito normami, budete musieť vykonať testovanie pomocou chybových stavov, aby ste sa uistili, že ani v prípade zlyhania nedôjde k vytvoreniu nebezpečnej situácie.
Je dôležité si uvedomiť, že toto nie je vyčerpávajúci zoznam noriem, ale chcel som zdôrazniť ich existenciu a poskytnúť určité objasnenie.
Záver
Pochopením princípu fungovania lítium-iónových batérií a zohľadnením faktorov, ako je kvalita článkov, dizajn balenia a robustný systém správy batérií, môžeme zvýšiť bezpečnosť a spoľahlivosť batérií. Dodržiavanie príslušných noriem a dôkladné testovanie ďalej prispieva k bezpečnému a efektívnemu využívaniu lítium-iónových batérií.
S neustálym pokrokom v technológii a zameraním sa na bezpečnosť budú lítium-iónové batérie naďalej zohrávať významnú úlohu v našom elektrifikovanom svete, poháňať rôzne aplikácie a zároveň znižovať riziká.
Súvisiace články:
