Ključni zaključki:
- Razširjenost in delovanje: Litij-ionske baterije se pogosto uporabljajo za visoko energijsko gostoto in brez pomnilniškega učinka. Delujejo skozi reverzibilno gibanje litijevih ionov med katodo in anodo.
- Vzroki: Pogosti razlogi za odpoved akumulatorja vključujejo organsko izhlapevanje elektrolitov, taljenje separatorja, sproščanje kisika, nenadzorovano polnjenje, hitro polnjenje pri nizkih temperaturah, popolni izpust in okvare proizvodnje.
- Preventivne strategije: Zagotavljanje dolgoživosti baterije zahteva uporabo kakovostnih celic, učinkovitega oblikovanja baterij in zanesljivega sistema za upravljanje baterije (BMS).
- BMS pomen in značilnosti: A BMS je ključnega pomena za spremljanje napetosti, temperature in ravnovesja celic. V skladu z varnostnimi standardi, kot sta UL 1642 in IEC 62133, za celice in UL 991 ali UL 1998 za programsko opremo BMS.
Litij-ionske baterije so okoli nas, napajajo svoje pametne telefone, prenosnike, električna vozila in sisteme za shranjevanje obnovljivih virov energije.
V tej objavi bomo raziskali osnove teh baterij, vključno s tem, kako delujejo, njihovimi koristmi, skupnimi vzroki in metodami preprečevanja.
Zakaj uporabljati litij-ionske baterije?
Litij-ionske baterije so postale priljubljene zaradi visoke energijske gostote. So boljši od svinčenih kislin, niklja-kadmium in nikljevih hidridnih baterij tako v volumni kot v masni gostoti energije.
Prehod iz nikelj-kadmium v nikeljne hidridne baterije je privedel do široke uporabe litij-ionskih baterij. Te baterije ne ponujajo samo najvišje gostote energije, ampak tudi nimajo učinka pomnilnika. To pomeni, da na njihovo zmogljivost ne vpliva celoten ali delni naboj ali odpust.
Poleg tega imajo litij-ionske baterije nizko strupenost. Še posebej litij železofosfatne baterije, ne vsebujejo težkih kovin, kot je kobalt. Prav tako imajo daljšo življenjsko dobo kot alternativne kemije, kar zagotavlja zanesljivost v različnih aplikacijah.
Kako delujejo litij-ionske baterije?
Za razumevanje varnostnih pomislekov o litij-ionskih baterijah je pomembno, da razumete, kako delujejo. Kot vsaka elektrokemijska celica je tudi litij-ionska baterija sestavljena iz katode in anode. Katoda običajno vsebuje litijevo sol, kot sta litijev oksid ali litijev fosfat, anoda pa je običajno izdelana iz grafita.
Ko napolnite litij-ionsko baterijo, se litijevi ioni (predstavljeni s črnimi pikami) premaknejo iz litijeve oksidne soli na anodo grafita. To gibanje, znano kot interkaliranje, ne vključuje neposredne interakcije med ioni in elektroni. Namesto tega elektroni tečejo iz katode do anode, kjer reagirajo z ogljikom v grafitu.
Omeniti velja, da za razliko od litijevih kovinskih baterij, ki so neplačljive, litij-ionske baterije omogočajo reverzibilno interkacijo litijevih ionov. Ta prebojna inovacija je podelila Johnu Goodenoughu in Stanu Winninghamu Nobelovi nagradi za kemijo. Litijevi ioni so podvrženi difuziji skozi organsko elektrolitno tekočino, kar omogoča njihovo gibanje med anodo in katodo.
V naslednjem delu bomo bolj izkopali organski elektrolit in njegovo funkcijo pri pomoči gladkemu delovanju litij-ionskih baterij.
LCO, LMO, NCA
Začnimo z razpravo o katodi in litijevih soli, ki se običajno uporabljajo v litij-ionskih baterijah. Prvi, ki ga bomo preučili, je litijev kobaltni oksid, ki je zelo razširjen v prenosnikih, električnih orodjih in mobilnih telefonih. Ko se baterija izpusti, se litij loči od litijevega kobaltnega oksida in sprosti elektron, ki potuje skozi polnilnik do anode. Ta postopek pušča kobaltni oksid na katodi.
Druga sol, ki se uporablja kot katodni material, je litijev manganov oksid. Ta vrsta katode je bila uporabljena v Nissanovem listu in jo lahko najdemo tudi v različnih Teslinih modelih, kot so Model S, Model 3 in Model X.
Nazadnje imamo litijev nikelj kobalt aluminijev oksid, ki zagotavlja največjo energijsko zmogljivost na maso in prostornino.
Vzroki za odpoved li-ionske baterije
Da bi preprečili okvare li-ionskih baterij, je pomembno, da se zavedate dejavnikov, ki lahko privedejo do takšnih težav. Oglejmo si natančneje nekaj skupnih vzrokov.
Izhlapevanje organskega elektrolita
Če se li-ionska baterija preveč segreje, lahko organski elektrolit v notranjosti izhlapi. To izhlapevanje poveča tlak in temperaturo znotraj celice. Kot rezultat, se lahko baterija izboči, kar kaže na prisotnost nevarnih razmer.
Taljenje separatorja
Li-ionske baterije običajno uporabljajo separator iz polietilena ali polipropilena. Če je izpostavljen temperaturam okoli 80 stopinj Celzija (170-180 stopinj Fahrenheita), se lahko ta separator stopi. Taljenje separatorja omogoča, da anoda in katoda prideta v stik, kar vodi do notranjega kratkega stika in ustvarja dodatno toploto.
Sproščanje kisika in nenadzorovane reakcije
Ko li-ionska baterija doseže visoke temperature, se lahko sprosti kisik, ki je prisoten v katodnih materialih, kot so litijev kobaltni oksid, litijev manganov oksid ali litijev nikelj kobalt aluminijev oksid. Ta sproščeni kisik lahko reagira z izhlapenim elektrolitom, kar povzroči nenadzorovane kemijske reakcije. Nenehni kratek krog še poslabša situacijo, zaradi česar je ključnega pomena, da se takoj lotijo njega.
Nenadzorovani naboj
Prekomerno polnjenje baterije ali podvrženost nenadzorovanemu naboju lahko privede do tvorbe litijeve kovine na anodi. Odvečni elektroni se kombinirajo z litijevimi ioni, ki tvorijo dendrite, ki rastejo skozi elektrolit in v katodo. Ti dendriti lahko ustvarijo notranje kratke vezje in predstavljajo resna tveganja.
Hitro polnjenje in nizke temperature
Polnjenje baterije pri zelo visokih tokovih ali nizkih temperaturah lahko ovira gibanje litijevih ionov v anodo. Posledično se lahko na anodi kopiči presežek elektronov, kar povzroči litijevo kovinsko oblogo in morebitne notranje kratke stike.
Popoln izpust
Izogibajte se popolnemu odvajanju litij-ionske celice. Prekomerno polnjenje lahko povzroči, da se baker na anodi raztopi v elektrolit. Pri polnjenju se lahko baker reformira, vendar ne v svoji izvirni strukturi, podobni foliji. To lahko privede do bakra in povzroči notranji kratek stik.
Slaba proizvodnja in kontaminacija celic
Napake iz li-ionskih baterij se lahko pojavijo tudi zaradi pomanjkljivosti proizvodnje ali prisotnosti nečistoč med proizvodnjo. Te nečistoče lahko v baterijo vnesejo onesnaževalce ali delce, kar vodi do notranjih kratkih stikov ali neželenih reakcij, ki pospešujejo razpadanje zmogljivosti.
Z razumevanjem in reševanjem teh vzrokov za izpadanje li-ionske baterije si lahko prizadevamo za izboljšanje varnosti baterije, zanesljivosti in dolgoživosti v različnih aplikacijah.
Preprečevanje okvare baterije
Preprečevanje vprašanj v industriji baterij je ključnega pomena za njegovo nadaljnjo rast in uspeh. Obstajajo trije ključni koraki, ki jih je mogoče učinkovito zmanjšati pojav težav.
Najprej in najpomembnejše je zagotavljanje kakovosti baterijskih celic izrednega pomena. S hitrim širjenjem industrije so se pojavile številne celične proizvodne zmogljivosti, zlasti na Kitajskem. Ključnega pomena je skrbno izbrati kakovostne celice uglednih proizvajalcev. Nekateri objekti se ponašajo z vrhunskimi, visokotehnološkimi avtomatiziranimi procesi, drugi pa morda ne bodo ustrezali enakim standardom. Izbira kakovosti celic neposredno vpliva na splošno uspešnost in zanesljivost.
Zasnova baterijskega paketa ima tudi ključno vlogo pri preprečevanju incidentov. Baterije so sestavljene iz več celic, razporejenih v serijskih in vzporednih konfiguracijah, kar ustvarja želeno napetost in tokovno zmogljivost. Pri oblikovanju paketa je nujno upoštevati učinkovito odvajanje toplote v primeru nepredvidenih dogodkov. Razumevanje, kako se bo paket odzval na morebitna vprašanja celic, je ključnega pomena za ohranjanje varnosti. Poleg tega, če sistem zahteva dostavo bistvenih količin toka, zagotovite učinkovito porazdelitev z zanesljivimi stiki in vezji, postane najpomembnejše.
Na bistvu je vse to sistem za upravljanje baterije (BMS). Ta naprava služi kot varuh baterije, nenehno spremlja napetosti, tokove in temperature, da zagotovi, da celice delujejo v varnih mejah. V katerem koli litij-ionskem baterijskem paketu je prisotnost integriranega ali zunanjega BMS ključnega pomena za varovanje celic. BMS ne zagotavlja le varnosti, ampak tudi izboljšuje dolgo življenjsko dobo baterij. Glede na to, da litij-ionske baterije lahko s pomembnim marže presegajo običajne naprave za shranjevanje, je nujno, da dajejo prednost njihovi zaščitni uporabi za dolgoročno uporabo.
Preprečevanje vprašanj v industriji baterije zahteva skrbno pozornost k kakovosti celic, oblikovanju paketov in izvajanju zanesljivega sistema za upravljanje baterij. Ti kolektivni ukrepi prispevajo k splošni varnosti in trajnosti litij-ionskih baterij, kar omogoča industriji, da uspeva, hkrati pa zmanjšujejo potencialna tveganja.
Pomen sistemov za upravljanje baterij
Sistem za upravljanje baterije (BMS) ima ključno vlogo pri spremljanju in nadzoru napetosti, tokov in temperatur baterije. Njegova glavna funkcija je zagotoviti, da baterija deluje v varnih mejah. Če BMS zazna kakršne koli nepravilnosti ali presega omejitve celic, ima možnost prekinitve postopka polnjenja ali odvajanja.
Poenostavljeno povedano, BMS pazi na ključne znake baterije. Nenehno preverja napetostne ravni, tok toka in temperaturo, da se prepriča, da vse deluje pravilno. Če zazna kakršne koli težave, na primer prekomerna toplota ali nepravilna napetost, lahko ukrepa za zaščito baterije.
Ena ključnih nalog BMS je preprečevanje prekomernega polnjenja ali prevelikega pretiravanja baterije. Prekomerno polnjenje lahko povzroči poškodbe baterijskih celic in zmanjša njihovo življenjsko dobo, medtem ko pretiravanje lahko privede do poslabšanja zmogljivosti. BMS zagotavlja, da baterija prejme ustrezen naboj in preprečuje, da bi bil preveč poln ali preveč prazen.
Pomislite na BMS kot skrbnika baterije. Vedno je na straži, pripravljen stopiti in zaščiti baterijo pred morebitno škodo. Z spremljanjem in uravnavanjem parametrov baterije BMS pomaga podaljšati svojo celotno življenjsko dobo in ohraniti optimalne zmogljivosti.
Katere funkcije bi morale biti prisotne na BMS?
Moje mnenje želimo deliti o minimalnih zahtevah za BMS, da bi zagotovili zaščito in dolgo življenjsko dobo baterije.
Prvič, zaščita napetosti je bistvena. Ključnega pomena je preprečiti prekomerno polnjenje in pretiravanje z baterijo. Ohraniti moramo varno napetostno območje, da ne bi poškodovali celic in povečali njihovo življenjsko dobo. Mimogrede, razmisliti bi o tem, da preprečimo, da bi paket dostavil tokove, ki presegajo njegovo zmogljivost, ne le na ravni celice, ampak tudi za celoten paket.
Zaščita temperature je še en ključni vidik. Ko se temperature dvignejo previsoko, lahko to privede do potencialnih tveganj in neuspehov. Zato je ključnega pomena mehanizme za spremljanje in nadzor visokih temperatur. Podobno je pomembno, da se zaradi pretirano hladnih pogojev na anodo preprečijo nizkotemperaturno zaščito pred polnjenjem, da preprečite težave, kot je litijeva kovinska plošča na anodo.
Poleg tega je ena uporabna značilnost, čeprav ni nujno potrebna, zmožnost uravnoteženja celic znotraj serije. Celice vzporedno imajo naravno tok in napetost, vendar celice v seriji ne. Za ohranitev enotnega stanja naboja (SOC) med celicami je potreben mehanizem uravnoteženja ali dodatna sposobnost delitve toka.
Nazadnje, čeprav nismo razpravljali o posebnih standardih za testiranje drugih proizvajalcev, je treba omeniti, da obstajajo obstoječi standardi, ki jih lahko testni laboratoriji tretjih oseb lahko uporabijo za oceno skladnosti.
Standardi
Pogosto je zmeda glede različnih seznamov za celice, baterije in sisteme za upravljanje baterij. Malo razjasnimo stvari. Litij-ionske celice je mogoče testirati in navesti v skladu s standardi UL 1642 ali IEC 62133.
Baterijski paketi imajo po drugi strani svoje sezname. Lahko jih je navedeno v UL 2050 ali UL 1973, oba pa zahtevata skladnost z UL 1642 kot predpogoj. Pomembno je opozoriti, da UL 1642 sam ni seznam paketov, temveč predpogoj za te sezname paketov.
V poskusu, da bi ustvarili seznam, ki velja za celice in pakete, je IEC predstavil IEC 62133. Vendar je treba omeniti, da imajo sistemi za upravljanje baterij (BMS) tudi svoje ločene sezname.
Za strojno opremo lahko BMS navedete na UL 991, medtem ko je za programsko opremo mogoče navesti na UL 1998 ali IEC 60730-1. Pomembno je opozoriti, da UL 991 in UL 1998 nista predpogoja za sezname UL 2054 ali UL 1973.
Če pa vaš BMS ni naveden v teh standardih, boste morali opraviti testiranje s pogoji napak, da zagotovite, da tudi v primeru okvare ne bo ustvarjena nevarna situacija.
Pomembno si je zapomniti, da to ni izčrpen seznam standardov, vendar sem želel poudariti njihov obstoj in zagotoviti nekaj pojasnila.
Zaključek
Z razumevanjem delovnega načela litij-ionskih baterij in upoštevanjem dejavnikov, kot so kakovost celic, oblikovanje paketov in močan sistem za upravljanje baterij, lahko izboljšamo varnost in zanesljivost baterije. Upoštevanje ustreznih standardov in vodenje temeljitega testiranja še dodatno prispeva k varnemu in učinkovitemu uporabi litij-ionskih baterij.
Z nenehnim napredkom tehnologije in osredotočenostjo na varnost bodo litij-ionske baterije še naprej igrale pomembno vlogo v našem elektrificiranem svetu, pri čemer bodo napajale različne aplikacije, hkrati pa olajšale tveganje.
Sorodni članki:
