Η υπερφόρτιση είναι ένα από τα πιο δύσκολα στοιχεία στην τρέχουσα δοκιμή ασφάλειας μπαταρίας λιθίου, επομένως είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τον μηχανισμό υπερφόρτισης και τα τρέχοντα μέτρα για την αποφυγή υπερφόρτισης.
Η εικόνα 1 είναι οι καμπύλες τάσης και θερμοκρασίας της μπαταρίας συστήματος NCM+LMO/Gr όταν είναι υπερφορτισμένη.Η τάση φτάνει στο μέγιστο στα 5,4 V και στη συνέχεια η τάση πέφτει, προκαλώντας τελικά θερμική διαφυγή.Οι καμπύλες τάσης και θερμοκρασίας της υπερφόρτισης της τριμερούς μπαταρίας είναι πολύ παρόμοιες με αυτήν.
Όταν η μπαταρία λιθίου υπερφορτιστεί, θα παράγει θερμότητα και αέριο.Η θερμότητα περιλαμβάνει ωμική θερμότητα και θερμότητα που παράγεται από παράπλευρες αντιδράσεις, από τις οποίες η ωμική θερμότητα είναι η κύρια.Η παράπλευρη αντίδραση της μπαταρίας που προκαλείται από την υπερφόρτιση είναι πρώτον ότι η περίσσεια λιθίου εισάγεται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και οι δενδρίτες λιθίου θα αναπτυχθούν στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου (ο λόγος N/P θα επηρεάσει την αρχική SOC ανάπτυξης δενδρίτη λιθίου).Το δεύτερο είναι ότι η περίσσεια λιθίου εξάγεται από το θετικό ηλεκτρόδιο, προκαλώντας την κατάρρευση της δομής του θετικού ηλεκτροδίου, απελευθερώνοντας θερμότητα και απελευθερώνοντας οξυγόνο.Το οξυγόνο θα επιταχύνει την αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη, η εσωτερική πίεση της μπαταρίας θα συνεχίσει να αυξάνεται και η βαλβίδα ασφαλείας θα ανοίξει μετά από ένα ορισμένο επίπεδο.Η επαφή του ενεργού υλικού με τον αέρα παράγει περαιτέρω περισσότερη θερμότητα.
Μελέτες έχουν δείξει ότι η μείωση της ποσότητας του ηλεκτρολύτη θα μειώσει σημαντικά την παραγωγή θερμότητας και αερίου κατά την υπερφόρτιση.Επιπλέον, έχει μελετηθεί ότι όταν η μπαταρία δεν έχει νάρθηκα ή η βαλβίδα ασφαλείας δεν μπορεί να ανοίξει κανονικά κατά την υπερφόρτιση, η μπαταρία είναι επιρρεπής σε έκρηξη.
Η ελαφρά υπερφόρτιση δεν θα προκαλέσει θερμική διαρροή, αλλά θα προκαλέσει εξασθένιση της χωρητικότητας.Η μελέτη διαπίστωσε ότι όταν η μπαταρία με υβριδικό υλικό NCM/LMO ως θετικό ηλεκτρόδιο υπερφορτίζεται, δεν υπάρχει εμφανής αποσύνθεση χωρητικότητας όταν το SOC είναι χαμηλότερο από 120%, και η χωρητικότητα μειώνεται σημαντικά όταν το SOC είναι υψηλότερο από 130%.
Επί του παρόντος, υπάρχουν περίπου διάφοροι τρόποι επίλυσης του προβλήματος υπερφόρτισης:
1) Η τάση προστασίας ρυθμίζεται στο BMS, συνήθως η τάση προστασίας είναι χαμηλότερη από την τάση αιχμής κατά την υπερφόρτιση.
2) Βελτιώστε την αντίσταση υπερφόρτισης της μπαταρίας μέσω τροποποίησης υλικού (όπως επίστρωση υλικού).
3) Προσθέστε πρόσθετα κατά της υπερφόρτισης, όπως ζεύγη οξειδοαναγωγής, στον ηλεκτρολύτη.
4) Με τη χρήση μεμβράνης ευαίσθητης στην τάση, όταν η μπαταρία υπερφορτίζεται, η αντίσταση της μεμβράνης μειώνεται σημαντικά, η οποία λειτουργεί ως διακλάδωση.
5) Τα σχέδια OSD και CID χρησιμοποιούνται σε τετράγωνες μπαταρίες κελύφους αλουμινίου, που είναι επί του παρόντος κοινά σχέδια κατά της υπερφόρτισης.Η μπαταρία θήκης δεν μπορεί να επιτύχει παρόμοιο σχεδιασμό.
βιβλιογραφικές αναφορές
Υλικά Αποθήκευσης Ενέργειας 10 (2018) 246–267
Αυτή τη φορά, θα εισαγάγουμε τις αλλαγές τάσης και θερμοκρασίας της μπαταρίας οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου όταν είναι υπερφορτισμένη.Η παρακάτω εικόνα είναι η καμπύλη υπερφόρτισης τάσης και θερμοκρασίας της μπαταρίας οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου και ο οριζόντιος άξονας είναι η ποσότητα απολίθωσης.Το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι γραφίτης και ο διαλύτης του ηλεκτρολύτη είναι EC/DMC.Η χωρητικότητα της μπαταρίας είναι 1,5 Ah.Το ρεύμα φόρτισης είναι 1,5A και η θερμοκρασία είναι η εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας.
Ζώνη Ι
1. Η τάση της μπαταρίας αυξάνεται αργά.Το θετικό ηλεκτρόδιο του οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου απολιθώνεται περισσότερο από 60%, και το μεταλλικό λίθιο κατακρημνίζεται στην πλευρά του αρνητικού ηλεκτροδίου.
2. Η μπαταρία είναι διογκωμένη, κάτι που μπορεί να οφείλεται σε οξείδωση υψηλής πίεσης του ηλεκτρολύτη στη θετική πλευρά.
3. Η θερμοκρασία είναι βασικά σταθερή με μικρή άνοδο.
Ζώνη II
1. Η θερμοκρασία αρχίζει να ανεβαίνει αργά.
2. Στην περιοχή 80~95%, η σύνθετη αντίσταση του θετικού ηλεκτροδίου αυξάνεται και η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας αυξάνεται, αλλά μειώνεται στο 95%.
3. Η τάση της μπαταρίας ξεπερνά τα 5V και φτάνει στο μέγιστο.
Ζώνη III
1. Περίπου στο 95%, η θερμοκρασία της μπαταρίας αρχίζει να αυξάνεται γρήγορα.
2. Από περίπου 95%, μέχρι κοντά στο 100%, η τάση της μπαταρίας πέφτει ελαφρά.
3. Όταν η εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας φτάσει περίπου τους 100°C, η τάση της μπαταρίας πέφτει απότομα, κάτι που μπορεί να προκληθεί από τη μείωση της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας.
Ζώνη IV
1. Όταν η εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας είναι υψηλότερη από 135°C, ο διαχωριστής PE αρχίζει να λιώνει, η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας αυξάνεται γρήγορα, η τάση φτάνει στο ανώτερο όριο (~12V) και το ρεύμα πέφτει σε χαμηλότερο αξία.
2. Μεταξύ 10-12 V, η τάση της μπαταρίας είναι ασταθής και το ρεύμα κυμαίνεται.
3. Η εσωτερική θερμοκρασία της μπαταρίας αυξάνεται γρήγορα και η θερμοκρασία αυξάνεται στους 190-220°C προτού η μπαταρία σπάσει.
4. Η μπαταρία έχει σπάσει.
Η υπερφόρτιση των τριμερών μπαταριών είναι παρόμοια με αυτή των μπαταριών οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου.Κατά την υπερφόρτιση τριών μπαταριών με τετράγωνα κελύφη αλουμινίου στην αγορά, το OSD ή το CID θα ενεργοποιηθεί κατά την είσοδο στη Ζώνη III και το ρεύμα θα διακοπεί για να προστατεύσει την μπαταρία από υπερφόρτιση.
βιβλιογραφικές αναφορές
Journal of The Electrochemical Society, 148 (8) A838-A844 (2001)
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-07-2022