Viktiga takeaways:
- Prevalens och operation: Litiumjonbatterier används ofta för sin höga energitäthet och inga minneseffekter. De fungerar genom den reversibla rörelsen av litiumjoner mellan katoden och anoden.
- Orsaker till misslyckanden: Vanliga orsaker till batterifel inkluderar organisk elektrolytavdunstning, separatorsmältning, syrefrisättning, okontrollerad laddning, snabbladdning vid låga temperaturer, fullständig urladdning och tillverkningsfel.
- Förebyggande strategier: För att säkerställa batteriets livslängd krävs användning av högkvalitativa celler, effektiv batteripaketdesign och ett pålitligt batterihanteringssystem (BMS).
- BMS betydelse och funktioner: En BMS är avgörande för att övervaka spänning, temperatur och cellbalans. Den ska uppfylla säkerhetsstandarder som UL 1642 och IEC 62133 för celler och UL 991 eller UL 1998 för BMS-programvara.
Litiumjonbatterier finns runt omkring oss och driver våra smartphones, bärbara datorer, elfordon och förnybara energilagringssystem.
I det här inlägget kommer vi att utforska grunderna för dessa batterier, inklusive hur de fungerar, deras fördelar, vanliga felorsaker och förebyggande metoder.
Varför använda litiumjonbatterier?
Litiumjonbatterier har blivit populära på grund av sin höga energitäthet. De är överlägsna blysyra-, nickel-kadmium- och nickelmetallhydridbatterier både vad gäller volym och massbaserad energitäthet.
Övergången från nickel-kadmium- till nickel-metallhydridbatterier har lett till den utbredda användningen av litiumjonbatterier. Dessa batterier erbjuder inte bara den högsta energitätheten utan har heller ingen minneseffekt. Detta innebär att deras kapacitet inte påverkas av en hel eller partiell laddning eller urladdning.
Dessutom har litiumjonbatterier låg toxicitet. Speciellt litiumjärnfosfatbatterier, de innehåller inte tungmetaller som kobolt. Dessutom har de en längre livslängd än alternativa kemier, vilket säkerställer tillförlitlighet i olika applikationer.
Hur fungerar litiumjonbatterier?
För att förstå säkerhetsproblemen kring litiumjonbatterier är det viktigt att förstå hur de fungerar. Liksom alla elektrokemiska celler består ett litiumjonbatteri av en katod och en anod. Katoden innehåller vanligtvis ett litiumsalt, såsom litiumoxid eller litiumfosfat, medan anoden vanligtvis är gjord av grafit.
När du laddar ett litiumjonbatteri flyttas litiumjonerna (representerade av svarta prickar) från litiumoxidsaltet till grafitanoden. Denna rörelse, känd som interkalering, involverar inte direkt interaktion mellan jonerna och elektronerna. Istället strömmar elektronerna från katoden till anoden, där de reagerar med kolet i grafiten.
Det är värt att nämna att till skillnad från litiummetallbatterier, som är icke-uppladdningsbara, tillåter litiumjonbatterier reversibel interkalering av litiumjoner. Denna banbrytande innovation gav John Goodenough och Stan Winningham Nobelpriset i kemi. Litiumjonerna genomgår diffusion genom en organisk elektrolytvätska, vilket möjliggör deras fram- och tillbakarörelse mellan anoden och katoden.
I den följande delen kommer vi att gräva mer i den organiska elektrolyten och dess funktion för att hjälpa litiumjonbatterier att fungera smidigt.
LCO, LMO, NCA
Låt oss börja med att diskutera katoden och litiumsalterna som vanligtvis används i litiumjonbatterier. Den första vi ska studera är litiumkoboltoxid, som är utbredd i bärbara datorer, elverktyg och mobiltelefoner. När batteriet laddas ur separeras litiumet från litiumkoboltoxiden och frigör en elektron som färdas genom laddaren till anoden. Denna procedur lämnar koboltoxid på katoden.
Ett annat salt som används som katodmaterial är litiummanganoxid. Denna typ av katod användes i Nissan Leaf och kan också hittas i olika Tesla-modeller som Model S, Model 3 och Model X.
Slutligen har vi litiumnickel kobolt aluminiumoxid, som ger den högsta energikapaciteten per massa och volym.
Orsaker till fel på Li-ion-batteriet
För att förhindra Li-ion-batterifel är det viktigt att vara medveten om de faktorer som kan leda till sådana problem. Låt oss titta närmare på några vanliga orsaker.
Organisk elektrolytavdunstning
Om ett litiumjonbatteri blir för varmt kan den organiska elektrolyten inuti avdunsta. Denna avdunstning ökar trycket och temperaturen i cellen. Som ett resultat kan batteriet bukta ut, vilket indikerar närvaron av farliga förhållanden.
Separator Smältning
Li-ion-batterier använder vanligtvis en separator gjord av polyeten eller polypropen. När den utsätts för temperaturer runt 80 grader Celsius (170-180 grader Fahrenheit), kan denna separator smälta. Smältningen av separatorn gör att anoden och katoden kommer i kontakt, vilket leder till en intern kortslutning och genererar ytterligare värme.
Syrefrisättning och okontrollerade reaktioner
När ett litiumjonbatteri når höga temperaturer kan syret som finns i katodmaterial som litiumkoboltoxid, litiummanganoxid eller litiumnickelkoboltaluminiumoxid frigöras. Detta frigjorda syre kan reagera med den förångade elektrolyten och orsaka okontrollerade kemiska reaktioner. Den kontinuerliga kortslutningen förvärrar situationen ytterligare, vilket gör det avgörande att åtgärda den omgående.
Okontrollerad laddning
Överladdning av batteriet eller utsättande av det för en okontrollerad laddning kan leda till att det bildas litiummetall på anoden. Överskott av elektroner kombineras med litiumjoner och bildar dendriter som växer genom elektrolyten och in i katoden. Dessa dendriter kan skapa interna kortslutningar, vilket utgör allvarliga risker.
Snabb laddning och låga temperaturer
Att ladda batteriet vid mycket höga strömmar eller låga temperaturer kan hindra litiumjoners förflyttning in i anoden. Följaktligen kan ett överskott av elektroner ackumuleras på anoden, vilket orsakar litiummetallplätering och potentiella interna kortslutningar.
Fullständig urladdning
Undvik att ladda ur en litiumjoncell helt. Överurladdning kan göra att kopparuppsamlaren på anoden löses upp i elektrolyten. Vid omladdning kan kopparn reformeras, men inte i sin ursprungliga folieliknande struktur. Detta kan leda till kopparplätering och resultera i en intern kortslutning.
Dålig cellproduktion och kontaminering
Li-ion batterifel kan också uppstå på grund av produktionsbrister eller närvaron av föroreningar under tillverkningen. Dessa föroreningar kan införa föroreningar eller partiklar i batteriet, vilket leder till interna kortslutningar eller oönskade reaktioner som påskyndar kapacitetsförsämringen.
Genom att förstå och ta itu med dessa orsaker till Li-ion-batterifel kan vi arbeta för att förbättra batterisäkerheten, tillförlitligheten och livslängden i olika applikationer.
Förhindrar batterifel
Att förebygga problem inom batteriindustrin är avgörande för dess fortsatta tillväxt och framgång. Det finns tre viktiga steg som kan vidtas för att effektivt minimera förekomsten av problem.
Först och främst är det ytterst viktigt att säkerställa kvaliteten på battericeller. Med den snabba expansionen av industrin har många celltillverkningsanläggningar, särskilt i Kina, vuxit fram. Det är avgörande att noggrant välja ut högkvalitativa celler från välrenommerade tillverkare. Vissa anläggningar har förstklassiga, högteknologiska automatiserade processer, medan andra kanske inte uppfyller samma standarder. Valet av cellkvalitet påverkar direkt övergripande prestanda och tillförlitlighet.
Utformningen av batteripaketet spelar också en avgörande roll för att förebygga incidenter. Batteripaket består av flera celler arrangerade i serie och parallella konfigurationer, vilket skapar önskad spänning och strömkapacitet. När du designar en förpackning är det viktigt att överväga effektiv värmeavledning i händelse av oförutsedda händelser. Att förstå hur paketet kommer att reagera på potentiella cellproblem är avgörande för att upprätthålla säkerheten. Dessutom, om systemet kräver att leverera avsevärda mängder ström, blir det avgörande att säkerställa effektiv distribution genom tillförlitliga kontakter och kretskort.
Kärnan i det hela är batterihanteringssystemet (BMS). Den här enheten fungerar som batteriets väktare och övervakar kontinuerligt spänningar, strömmar och temperaturer för att säkerställa att cellerna fungerar inom säkra gränser. I alla litiumjonbatterier är närvaron av en integrerad eller extern BMS avgörande för att skydda cellerna. BMS garanterar inte bara säkerheten utan förlänger även batteriernas livslängd. Med tanke på att litiumjonbatterier kan hålla längre än konventionella lagringsenheter med en betydande marginal, blir det absolut nödvändigt att prioritera deras skydd för långvarig användning.
För att förebygga problem inom batteriindustrin krävs noggrann uppmärksamhet på cellkvalitet, förpackningsdesign och implementering av ett tillförlitligt batterihanteringssystem. Dessa kollektiva åtgärder bidrar till den övergripande säkerheten och hållbarheten för litiumjonbatterier, vilket gör att industrin kan frodas samtidigt som potentiella risker minimeras.
Betydelsen av batterihanteringssystem
Batterihanteringssystemet (BMS) spelar en avgörande roll för att övervaka och kontrollera ett batteris spänningar, strömmar och temperaturer. Dess primära funktion är att säkerställa att batteriet fungerar inom säkra gränser. Om BMS upptäcker några avvikelser eller överskrider cellgränser, har den förmågan att avbryta laddnings- eller urladdningsprocessen.
I enklare termer håller BMS ett öga på batteriets vitala tecken. Den kontrollerar ständigt spänningsnivåerna, strömflödet och temperaturen för att se till att allt fungerar som det ska. Om den upptäcker några problem, som överdriven värme eller oregelbunden spänning, kan den vidta åtgärder för att skydda batteriet.
En av BMS:s nyckeluppgifter är att förhindra över- eller överladdning av batteriet. Överladdning kan orsaka skador på battericellerna och minska deras livslängd, medan överladdning kan leda till prestandaförsämring. BMS ser till att batteriet får rätt mängd laddning och förhindrar att det blir för fullt eller för tomt.
Tänk på BMS som batteriets väktare. Den är alltid på vakt, redo att kliva in och skydda batteriet från potentiell skada. Genom att övervaka och reglera batteriets parametrar hjälper BMS till att förlänga dess totala livslängd och bibehålla optimal prestanda.
Vilka funktioner bör finnas på en BMS?
Vi vill dela min åsikt om minimikraven för ett BMS för att säkerställa batteripaketets skydd och livslängd.
För det första är spänningsskydd viktigt. Det är viktigt att förhindra över- och överladdning av batteriet. Vi måste upprätthålla ett säkert spänningsområde för att undvika att skada cellerna och maximera deras livslängd. Förresten bör vi också överväga att förhindra paketet från att leverera strömmar som överstiger dess kapacitet, inte bara på cellnivå utan även för hela paketet.
Temperaturskydd är en annan viktig aspekt. När temperaturen stiger för högt kan det leda till potentiella risker och misslyckanden. Därför är det avgörande att ha mekanismer på plats för att övervaka och kontrollera höga temperaturer. På samma sätt är det viktigt att ha lågtemperaturladdningsskydd för att förhindra problem som litiummetallplätering på anoden på grund av alltför kalla förhållanden.
Dessutom är en användbar funktion, även om den inte är absolut nödvändig, möjligheten att balansera cellerna inom en serie. Parallella celler delar naturligt ström och spänning, men celler i serie gör det inte. För att upprätthålla ett enhetligt laddningstillstånd (SOC) bland cellerna krävs en balanseringsmekanism eller extra strömdelningskapacitet.
Slutligen, även om vi inte diskuterade specifika standarder för testning från tredje part, är det värt att nämna att det finns befintliga standarder som testlabb från tredje part kan använda för bedömning av efterlevnad.
Standarder
Det finns ofta förvirring angående de olika listorna för celler, batteripaket och batterihanteringssystem. Låt oss förtydliga saker och ting lite. Litiumjonceller kan testas och listas enligt UL 1642 eller IEC 62133 standarder.
Batteripaket, å andra sidan, har sina egna listor. De kan listas under antingen UL 2050 eller UL 1973, som båda kräver överensstämmelse med UL 1642 som en förutsättning. Det är viktigt att notera att UL 1642 i sig inte är en paketlista utan snarare en förutsättning för dessa paketlistor.
I ett försök att skapa en lista som gäller både celler och paket, introducerade IEC IEC 62133. Det är dock värt att nämna att batterihanteringssystem (BMS) också har sina egna separata listor.
För hårdvara kan BMS listas till UL 991, medan det för programvara kan listas till UL 1998 eller IEC 60730-1. Det är viktigt att notera att UL 991 och UL 1998 inte är förutsättningar för UL 2054 eller UL 1973 listor.
Men om din BMS inte är listad enligt dessa standarder måste du utföra tester med hjälp av felförhållanden för att säkerställa att en farlig situation inte skapas även i händelse av ett fel.
Det är viktigt att komma ihåg att detta inte är en uttömmande lista över standarder, men jag ville lyfta fram deras existens och förtydliga dem.
Slutsats
Genom att förstå arbetsprincipen för litiumjonbatterier och ta hänsyn till faktorer som cellkvalitet, packdesign och ett robust batterihanteringssystem kan vi förbättra batterisäkerheten och tillförlitligheten. Att följa relevanta standarder och genomföra grundliga tester bidrar ytterligare till ett säkert och effektivt utnyttjande av litiumjonbatterier.
Med fortsatta framsteg inom teknik och fokus på säkerhet kommer litiumjonbatterier att fortsätta att spela en betydande roll i vår elektrifierade värld och driva olika applikationer samtidigt som riskerna minskar.
Relaterade artiklar:
