วิธีการวิเคราะห์และควบคุมกลไกการหนีความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียม

1. กลไกกระบวนการหนีความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมเกิดขึ้นจากการฝังลิเธียมไอออนลงในคาร์บอน (ปิโตรเลียมโค้กและกราไฟต์) เพื่อสร้างอิเล็กโทรดลบ โดยทั่วไปจะใช้ LixCoO2 เป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวก ในขณะที่ LixNiO2 และ LixMnO4 ก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน LiPF6+ไดเอทิลีนคาร์บอเนต (EC)+ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) ถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ ปัจจัยกระตุ้นหลักสำหรับการควบคุมความร้อน ได้แก่ ความเสียหายทางกล การชาร์จไฟเกิน การลัดวงจรภายใน ฯลฯ ภายใต้อิทธิพลของปัจจัยต่างๆ วัสดุออกฤทธิ์ภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรุนแรง และอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่เกินช่วงที่ควบคุมได้ นำไปสู่ภาวะหนีความร้อนในที่สุด ปฏิกิริยาเคมีคายความร้อนที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ การสลายตัวของ SEI ของหน้ากากใบหน้าส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุออกฤทธิ์เชิงลบกับอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุออกฤทธิ์เชิงลบกับสารยึดเกาะ และปฏิกิริยาการสลายตัวของออกซิเดชัน ของอิเล็กโทรไลต์

ในระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ไวนิลคาร์บอเนตบนส่วนต่อประสานเฟสโซลิดของวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดจะทำปฏิกิริยากับลิเธียมอิเล็กโทรดขั้วลบ ก่อตัวเป็นชั้นฟิล์ม SEI บนพื้นผิวที่ยึดเกาะด้วยกราไฟท์ เมมเบรนนี้สามารถชะลอหรือป้องกันปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กโทรไลต์กับวัสดุออกฤทธิ์ทั้งสองด้านของอิเล็กโทรดได้โดยตรง ซึ่งช่วยลดอัตราการคายความร้อนได้อย่างมาก และปรับปรุงความเสถียรของวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบ

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 90-120 องศา ฟิล์ม SEI จะเริ่มสลายตัว ตามมาด้วยปฏิกิริยาคายความร้อนระหว่างอิเล็กโทรไลต์และวัสดุแอคทีฟของอิเล็กโทรดลบ ยกตัวอย่างไวนิลคาร์บอเนต กระบวนการทำปฏิกิริยาจะแสดงในสมการ (1) และ (2):

ในระหว่างปฏิกิริยาคายความร้อน อุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ขึ้นอยู่กับการใช้วัสดุไดอะแฟรมที่แตกต่างกัน จุดหลอมเหลวก็แตกต่างกันไปเช่นกัน ไดอะแฟรมโพลีโพรพีลีนทั่วไปมีจุดหลอมเหลว 165 องศา และวัสดุโพลีเอทิลีนมีจุดหลอมเหลว 135 องศา หลังจากถึงอุณหภูมิจุดหลอมเหลวของวัสดุตัวแยก ตัวแยกภายในจะเกิดการหดตัวเฉพาะจุด ทำให้เกิดการสัมผัสโดยตรงระหว่างวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบภายในแบตเตอรี่ ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและสร้างความร้อนจำนวนมาก ความร้อนปริมาณมากที่เกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรจะทำให้ไดอะแฟรมหดตัวอย่างรวดเร็ว และทำให้ปฏิกิริยาคายความร้อนรุนแรงขึ้นอีก

ในเวลาเดียวกัน ในช่วงอุณหภูมิที่ฟิล์ม SEI สลายตัวและเกิดปฏิกิริยาคายความร้อน เกลือลิเธียมยังเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรุนแรงกับอิเล็กโทรไลต์อีกด้วย ประเภทวัสดุออกฤทธิ์ทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6), ลิเธียมเตตระฟลูออโรฟอสเฟต (LiBF4) ฯลฯ ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตสลายตัวที่อุณหภูมิสูงเพื่อผลิต PF5 ซึ่งทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมกับตัวทำละลายเพื่อรับอะตอมออกซิเจนของ CO พันธะและเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรุนแรง เร่งการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ต่อไป ในเวลาเดียวกัน ปฏิกิริยารีดิวซ์-ออกซิเดชั่นระหว่างลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตและตัวทำละลายยังปล่อยกรดไฮโดรฟลูออริกที่เป็นก๊าซพิษสูง (HF) ออกมาด้วย กระบวนการเกิดปฏิกิริยาจำเพาะแสดงไว้ในสมการ (3) ถึง (5):

ภายในช่วงอุณหภูมิเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์จะเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวและปล่อยก๊าซที่ติดไฟได้จำนวนเล็กน้อย เมื่อใช้เรตแคลอริเมทรีในการวิเคราะห์กระบวนการหนีความร้อน พบว่าก๊าซที่เกิดจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วย C2H4, CO และ H2 เป็นหลัก อิเล็กโทรไลต์จะระเหยอย่างรวดเร็วและเพิ่มแรงดันภายในของแบตเตอรี่ เมื่อความดันภายในถึงขีดจำกัดของวาล์วระบายความดัน ก๊าซที่ติดไฟได้จำนวนมากจะถูกขับออกมา ซึ่งจะทำให้การแพร่กระจายของความร้อนยิ่งรุนแรงขึ้น ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้อิเล็กโทรไลต์โดยสมบูรณ์จะมีค่ามากกว่าความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาการสลายตัว ยกตัวอย่างเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) และโพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) เป็นตัวอย่าง กระบวนการทำปฏิกิริยาของอิเล็กโทรไลต์ออกซิเดชัน (6)~(7) และออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์ (8)~(9) มีดังต่อไปนี้:

เมื่ออุณหภูมิภายในแบตเตอรี่ค่อยๆ เพิ่มขึ้น วัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดขั้วบวกจะเริ่มสลายตัว ขึ้นอยู่กับการใช้วัสดุออกฤทธิ์ที่แตกต่างกัน อุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนก็จะแตกต่างกันไปเช่นกัน การสลายตัวของวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดบวกจะผลิตออกซิเจน ซึ่งจากนั้นจะมีส่วนร่วมในการทำปฏิกิริยากับวัสดุแอคทีฟภายใน ทำให้เกิดก๊าซจำนวนมากภายในแบตเตอรี่ กระบวนการเกิดปฏิกิริยามีดังนี้:

เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 136 องศา สารยึดเกาะโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) จะทำปฏิกิริยากับลิเธียมเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน กระบวนการเกิดปฏิกิริยามีดังนี้:

ยกเว้นฟิล์ม SEI ที่ละลายและดูดซับความร้อน ปฏิกิริยาเคมีข้างต้นทั้งหมดถือเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน การปล่อยความร้อนของการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ ตัวแยก วัสดุออกฤทธิ์ของแบตเตอรี่ และกาวคิดเป็น 43.5%, 30.3%, 20.1% และ 6.2% ของการปล่อยความร้อนทั้งหมด ตามลำดับ ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุออกฤทธิ์ที่เป็นบวกและลบของแบตเตอรี่กับอิเล็กโทรไลต์คือแหล่งความร้อนที่ใหญ่ที่สุด

2. ปัจจัยกระตุ้นการหนีความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ปัจจัยที่กระตุ้นให้เกิดการหนีความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท: การใช้กลไกในทางที่ผิด (การเจาะเข็ม การเสียรูปของการบีบอัด การชนภายนอก) การใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด (การชาร์จไฟเกินและการคายประจุเกิน การลัดวงจร) และการใช้ความร้อนในทางที่ผิด (ระบบการจัดการความร้อน) ความล้มเหลว). การใช้กลไกในทางที่ผิดสามารถทำให้เกิดการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ลิเธียมได้ง่าย ส่งผลให้ความร้อนหนีออกมา ในการใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด การชาร์จไฟเกินและการคายประจุแบตเตอรี่อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงภายใน ส่งผลให้เซลล์แบตเตอรี่ร้อนเกินไปในท้องถิ่น และทำให้เกิดความร้อนหนีหายไป การลัดวงจรภายนอกเป็นสถานะที่เป็นอันตรายจากการคายประจุแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว โดยที่กระแสไฟฟ้าที่สูงมากทำให้เกิดความร้อนอย่างรวดเร็วและยังฟิวส์ขั้วแบตเตอรี่อีกด้วย ในสภาวะการใช้ความร้อนในทางที่ผิด ความล้มเหลวของระบบการจัดการความร้อนมักจะกระตุ้นให้เกิดการหดตัวและการสลายตัวของไดอะแฟรมภายใน ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การลัดวงจรภายในและการระบายความร้อน

นอกจากนี้ สถานะของแบตเตอรี่ยังเป็นปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้เกิดความร้อนหมดไป ด้วยการเพิ่มขึ้นของประจุแบตเตอรี่และรอบการคายประจุ และการเหนี่ยวนำของสิ่งสกปรกที่ปะปนอยู่ในระหว่างการผลิตเดนไดรต์ ทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ เช่น เดนไดรต์โลหะ ซึ่งเจาะทะลุตัวแยกได้ง่ายและทำให้เกิดการลัดวงจรเฉพาะที่ในแบตเตอรี่

2.1 การวิจัยเกี่ยวกับการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการใช้ความร้อนในทางที่ผิด

ตามรูปแบบการหลบหนีความร้อนเกินพิกัดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่จัดตั้งขึ้นในวรรณคดีตามข้อต่อความร้อนเคมีไฟฟ้าเคมีไฟฟ้าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักจะเริ่มร้อนขึ้นเองเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 80 องศา เมื่อความร้อนของแบตเตอรี่ล้นออกมาและไม่สามารถปล่อยออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพ การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่จะทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างไม่สามารถควบคุมได้ ซึ่งจะกระจายจากเซลล์แต่ละเซลล์ไปยังชุดแบตเตอรี่จ่ายไฟ ทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงและความร้อนหนีออกมา

การใช้ความร้อนไม่ได้เกิดขึ้นเองภายในแบตเตอรี่ บ่อยครั้งเนื่องจากการใช้งานในทางที่ผิดหรือเหตุผลอื่น ๆ อุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นถึงเกณฑ์ และพื้นที่ท้องถิ่นของแบตเตอรี่มีความร้อนขึ้น ซึ่งนำไปสู่การละเมิดความร้อน และกระตุ้นให้เกิดการควบคุมอุณหภูมิและการจุดติดไฟของแบตเตอรี่เอง

ในเวลาเดียวกัน การนำความร้อนออกจากแบตเตอรี่ยังถูกนำมาใช้เป็นวิธีการวิจัยเพื่อทดสอบกระบวนการควบคุมการไหลของแบตเตอรี่แบบทดลอง และการตรวจจับคุณลักษณะด้านความปลอดภัยระหว่างการกระจายความร้อนของแบตเตอรี่ ในปี 1999 KITOH และคณะ ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับการตรวจสอบคุณลักษณะด้านความปลอดภัยในการหนีความร้อนของแบตเตอรี่พลังงานพลังงานจำเพาะสูงโดยอาศัยวิธีการทำความร้อนภายนอก ตั้งแต่นั้นมา วิธีพลังงานอะเดียแบติกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการทดสอบเกณฑ์อุณหภูมิควบคุมความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับการใช้ความร้อนโดยอาศัยการแผ่รังสีภายนอกของแบตเตอรี่เป็นหลัก Liu Mengmeng ได้สร้างแบบจำลองการสร้างความร้อนชั่วคราวภายในร่างกายหลายแบบและแบบจำลองข้อต่อความร้อนเคมีไฟฟ้า ตามวิธีการให้ความร้อนด้วยรังสี ได้มีการศึกษาคุณลักษณะด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่หลังจากการจุดติดไฟเองที่เกิดจากการใช้ความร้อนในทางที่ผิด พบว่าการเผาไหม้ของแบตเตอรี่สามารถแบ่งได้เป็น 3 ระยะ ได้แก่ การเผาไหม้แบบฉีด การเผาไหม้แบบเสถียร และการเผาไหม้แบบฉีดทุติยภูมิ ลี และคณะ ศึกษาผลกระทบของกระแสคายประจุต่ออุณหภูมิภายใต้พื้นหลังของเทอร์มอลรันเวย์ที่เกิดจากการใช้ความร้อนในทางที่ผิด พบว่าเมื่อกระแสคายประจุคงที่ การสูญเสียคุณภาพ พารามิเตอร์ลักษณะความปลอดภัย อุณหภูมิเริ่มต้นการหนีความร้อน และอุณหภูมิสูงสุดในระหว่างกระบวนการควบคุมความร้อน ทั้งหมดขึ้นอยู่กับความจุของแบตเตอรี่

2.2 การวิจัยเกี่ยวกับการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด

สาเหตุทั่วไปของการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ ได้แก่ การชาร์จไฟเกินและการคายประจุ การลัดวงจรภายใน การลัดวงจรภายนอก ฯลฯ

(1) การชาร์จไฟเกินและการคายประจุมากเกินไป

ในระหว่างที่วงจรการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสร็จสิ้น ระบบจัดการแบตเตอรี่ BMS จะบล็อกกระแสการชาร์จตามสถานะการชาร์จตามปกติ เมื่อระบบ BMS ล้มเหลว การชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุจากการจุดระเบิดด้วยตนเองอย่างรุนแรงได้ หลังจากถึงเกณฑ์ SOC ระหว่างการชาร์จ โลหะลิเธียมจะเกาะติดกับพื้นผิวของวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรดลบ และลิเธียมที่ติดอยู่จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิหนึ่ง และปล่อยก๊าซอุณหภูมิสูงจำนวนมาก ในเวลาเดียวกัน วัสดุแอคทีฟของอิเล็กโทรดบวกเริ่มละลายเนื่องจากมีการขจัดลิเธียมมากเกินไปและมีความต่างศักย์มากกับอิเล็กโทรดเชิงลบ เมื่อศักย์ของอิเล็กโทรดบวกเกินแรงดันไฟฟ้าที่ปลอดภัยของอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับวัสดุแอคทีฟของอิเล็กโทรดบวกด้วย ในระหว่างกระบวนการชาร์จเกิน อาจเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงหลายอย่าง เช่น การให้ความร้อนแบบโอห์มมิกและก๊าซล้น อาจเกิดขึ้น ส่งผลให้การเคลื่อนตัวของความร้อนรุนแรงขึ้น

ก๊าซที่ปล่อยออกมาระหว่างการชาร์จมากเกินไปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ประกอบด้วย CO2, CO, H2, CH4, C2H6 และ C2H4 และปริมาณก๊าซและความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามกระแสการชาร์จที่เพิ่มขึ้น การใช้แคลอริมิเตอร์แบบเร่งและเครื่องวิเคราะห์วัฏจักรแบตเตอรี่สำหรับการวิเคราะห์ร่วม การทดลองแสดงให้เห็นว่าอันตรายของการประจุไฟเกินโดยอิงจากแรงดันคงที่ของกระแสคงที่นั้นมากกว่าอันตรายของการประจุไฟเกินโดยตรงด้วยกระแสคงที่มาก จากประสิทธิภาพการชาร์จไฟเกินของอิเล็กโทรดบวกแบบคอมโพสิตและอิเล็กโทรดลบแบบกราไฟท์ในสภาพแวดล้อมการทดลองที่แตกต่างกัน Ren และคณะ พิจารณาผลกระทบของกระแสชาร์จ วัสดุแยก และระบบกระจายความร้อนอย่างครอบคลุม การศึกษาพบว่าปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ NCM มากเกินไปไม่มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับขนาดของกระแสไฟชาร์จ จุดหลอมเหลวของวัสดุแยกต่างๆ และการเสียรูปและการบวมของแบตเตอรี่เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน วังและคณะ วิเคราะห์เส้นทางการแพร่กระจายความร้อนและเส้นทางการไหลของก๊าซอุณหภูมิสูงเกินของแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีประจุมากเกินไป และพบว่าความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างการสะสมของลิเธียมและอิเล็กโทรไลต์ระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปมีสัดส่วนมากกว่า 43% จางและคณะ ศึกษากลไกการสลายตัวของความจุของแบตเตอรี่โดยพิจารณาจากแรงดันดิฟเฟอเรนเชียลของประจุไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น และพบว่าการชาร์จเกินเพียงครั้งเดียวมีผลเพียงเล็กน้อยต่อความจุของแบตเตอรี่ แต่หลังจากการประจุเกินจนวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดบวกถูกขจัดออก จะส่งผลร้ายแรงต่อเสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่

อันตรายที่เกิดจากการคายประจุมากเกินไปนั้นมีน้อยกว่ามาก การคายประจุไฟฟ้าเกินกำหนดอาจทำให้แบตเตอรี่หนีความร้อนได้ยาก แต่อาจส่งผลต่อความจุของแบตเตอรี่ได้ โจวปิง และคณะ ศึกษาลักษณะการปล่อยของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาค NCM ของนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสหลังจากการคายประจุมากเกินไป ในระหว่างกระบวนการคายประจุไฟฟ้าสถิต ระดับของการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ลิเธียม NCM จะลดลง ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น และกระแสคายประจุจะลดลง การทดลองแสดงให้เห็นว่ายิ่งความลึกของการคายประจุยิ่งมาก ระดับการลดทอนของเซลล์แต่ละเซลล์ภายในก้อนแบตเตอรี่ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แม่และคณะ พบในการทดลองการคายประจุเกินของแบตเตอรี่ลิเธียมซึ่งการคายประจุมากเกินไปจะไม่เปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุที่ใช้งานของแบตเตอรี่ แต่สามารถทำให้เกิดการละลายของตัวสะสมกระแสอิเล็กโทรดลบ เพิ่มความหนาของฟิล์ม SEI และเร่งอายุของแบตเตอรี่ ลักษณะการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหนือกระบวนการคายประจุแสดงไว้ในภาพ

(2) ไฟฟ้าลัดวงจรภายนอก

การลัดวงจรภายนอกยังเป็นสาเหตุสำคัญของการระบายความร้อนในแบตเตอรี่กำลังอีกด้วย เฉินและคณะ พัฒนาแบบจำลองข้อต่อความร้อนไฟฟ้าใหม่โดยอาศัยการผสมผสานระหว่างแบบจำลองการสร้าง การกระจาย และการแพร่กระจายความร้อน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิสูงสุดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนภายใต้สภาวะไฟฟ้าลัดวงจรภายนอกอยู่ที่ขอบของหูอิเล็กโทรด หม่าไท่เซียว และคณะ พบว่าในสถานะการลัดวงจรภายนอกของแบตเตอรี่กำลัง ความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาด้านข้างมีขนาดเล็กกว่าความร้อนที่เกิดจากเคมีไฟฟ้าอย่างมาก และความร้อนที่เกิดจากเคมีไฟฟ้ามีความสัมพันธ์เชิงบวกกับ SOC เริ่มต้น แต่มีความสัมพันธ์เชิงลบกับอุณหภูมิสูงสุด ความเครียดจากความร้อน

(3) ไฟฟ้าลัดวงจรภายใน

การลัดวงจรภายในซึ่งเกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่และตรวจพบได้ยากโดยระบบ BMS เป็นสาเหตุหลักของการระบายความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เมื่อแบตเตอรี่มีประจุมากเกินไปหรือคายประจุมากเกินไป เดนไดรต์ลิเธียมจะค่อยๆ เติบโตเพื่อเจาะฟิล์ม SEI ทำให้เกิดการลัดวงจรภายใน และนำไปสู่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ นอกจากนี้ ความเสียหายของโครงตาข่ายหรือเสี้ยนสะสมกระแสที่เกิดจากกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ที่หยาบกร้านอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในได้

2.3 การวิจัยเกี่ยวกับการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการใช้กลไกในทางที่ผิด

ในการใช้งานแบตเตอรี่รถยนต์ ความล้มเหลวทางกลไกย่อมเกิดจากอุบัติเหตุอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ หากก้อนแบตเตอรี่เสียรูปโดยแรงภายนอก เช่น การเจาะและการบีบอัด อาจส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายใน และอาจนำไปสู่การระบายความร้อนเนื่องจากการสัมผัสโดยตรงระหว่างขั้วบวกและขั้วลบภายใต้ความเครียดที่รุนแรง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการวิจัยเกี่ยวกับการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการใช้กลไกในทางที่ผิด โดย Fan Wenjie และ Xu Huiyong ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการใช้กลไกในทางที่ผิด โดยอาศัยการสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์และการวิเคราะห์การติดตามเชิงตัวเลข

วังและคณะ ได้ทำการศึกษาการเปลี่ยนแปลงหน้าตัดของก้อนแบตเตอรี่หลังจากการชนกันโดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนิดอ่อน การทดลองเจาะพบว่ามีการเสียรูปเฉพาะที่และชั้นการแตกหักด้วยแรงเฉือนจำนวนมากปรากฏขึ้นภายในชุดแบตเตอรี่ในระหว่างกระบวนการเจาะ และการฉีกขาดของตัวสะสมกระแสไฟฟ้าและวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรดบวก รวมถึงการจัดเรียงโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่ใหม่ แพ็คที่เกิดจากการเจาะตัวคั่นเป็นสาเหตุพื้นฐานที่ทำให้ความร้อนลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ เนื้อแกะและคณะ ศึกษาสถานะการเปลี่ยนรูปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทรงกระบอก 18650 ภายใต้สภาวะการเจาะทะลุโดยอาศัยเทคโนโลยีเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ การทดลองพบว่าปรากฏการณ์การแทรกซึมระหว่างขั้วบวกและขั้วลบทำให้การลัดวงจรภายในรุนแรงขึ้น ในระหว่างการลัดวงจร อลูมิเนียมฟอยล์ที่ติดอยู่จะละลาย เกิดเป็นเม็ดโลหะจำนวนมากตรงรอยแตกที่เจาะ หลี่และคณะ จัดทำแบบจำลองการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์สำหรับสถานะต่างๆ ของการละเมิดทางกลโดยอิงจากการเจาะ การบีบอัด ฯลฯ และพัฒนาอัลกอริธึมการเรียนรู้สำหรับการทำนายกระบวนการหนีความร้อนของแบตเตอรี่โดยใช้พารามิเตอร์ของแบตเตอรี่เสีย ผลกระทบของการใช้กลไกในทางที่ผิดต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการวิเคราะห์ตามพารามิเตอร์ 8 ประเภท รวมถึงแรงกระแทก มุมการชน และช่วงการเปลี่ยนรูป ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการคำนวณลงอย่างมาก

การละเมิดทางกลที่เกิดขึ้นในการใช้งานจริงมีความซับซ้อนมากกว่าการทดลองเดี่ยวๆ เช่น การเจาะและการบีบอัด การใช้การจำลองการทดลองเพียงอย่างเดียวไม่สามารถศึกษาคุณลักษณะด้านความปลอดภัยของการใช้กลไกแบตเตอรี่ในทางที่ผิดได้อย่างลึกซึ้ง วิธีแก้ปัญหาพื้นฐานคือการปรับตำแหน่งการติดตั้งแบตเตอรี่ให้เหมาะสม ตั้งค่าระบบ BMS ที่เชื่อถือได้ และปรับการออกแบบโครงรถให้เหมาะสมในขณะที่ออกแบบชุดแบตเตอรี่จ่ายไฟ เพื่อลดการเปลี่ยนรูปและการบีบอัดของชุดแบตเตอรี่จ่ายไฟในกรณีที่เกิดการชนกัน .

3. มาตรการป้องกันและวิธีการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

โดยมีเป้าหมายในการปิดกั้น ชะลอ และป้องกันการระบายความร้อนของแบตเตอรี่กำลัง นักวิชาการจำนวนมากได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ การออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่ที่มีความแข็งแรงสูง และด้านอื่นๆ

3.1 การออกแบบความปลอดภัยของแบตเตอรี่แต่ละก้อน

(1) การวิจัยเรื่องความปลอดภัยของการออกแบบไดอะแฟรม

หัวใจหลักของการปรับปรุงความปลอดภัยของไดอะแฟรมอยู่ที่การเพิ่มอุณหภูมิที่ไดอะแฟรมหดตัวและหลอมละลาย ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการแยกตัวที่อุณหภูมิสูง ความสามารถในการแยกตัวที่อุณหภูมิสูงของไดอะแฟรมช่วยให้แน่ใจว่าไมโครพอร์ของมันถูกผนึกไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งจะขัดขวางการไหลของลิเธียมไอออน วัสดุไดอะแฟรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมักถูกเคลือบด้วยการเคลือบเซรามิกหรือวัสดุอื่นๆ ที่มีลักษณะพิเศษแบบเซลล์ปิด

(2) การวิจัยเกี่ยวกับความปลอดภัยของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงบวก

วัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกลิเธียมไอออนที่พบมากที่สุดที่ใช้ในตลาดแบตเตอรี่พลังงานคือ LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM) เป็นต้น การใช้วัสดุเพื่อปกปิดอิเล็กโทรดบวกเพื่อป้องกันและบรรเทาปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดจากความร้อน ปรับปรุงการหมุนเวียนของแบตเตอรี่ และเสถียรภาพทางความร้อน เช่น ZrO2 และ AlF3 จางและคณะ พัฒนาวัสดุ NCM แบบไตรภาคแบบหลายชั้นโดยอาศัยการกระจายตัวแบบไล่ระดับของความเข้มข้นของอะตอม โดยมี Ni เป็นแกนกลางและ Mn ครอบคลุมชั้นนอกของอนุภาคที่ติดอยู่ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าสามารถรักษาการหมุนเวียนที่ดีและเสถียรภาพทางความร้อนได้ แม้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและการชาร์จไฟเกินหลายครั้ง

(3) การวิจัยเกี่ยวกับความปลอดภัยของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ

การปรับปรุงความปลอดภัยของอิเล็กโทรดเชิงลบส่วนใหญ่ทำได้โดยการเคลือบวัสดุหรือการเติมสารเติมแต่งให้กับอิเล็กโทรไลต์เพื่อเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของฟิล์ม SEI ซูและคณะ เพิ่ม GaSnIn โลหะผสมเหลวลงในอิเล็กโทรไลต์เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่ การทดลองแสดงให้เห็นว่าชั้นเกรเดียนท์ SEI ที่เตรียมไว้จะช่วยลดโพลาไรเซชันของแรงดันไฟฟ้าได้อย่างมาก และปรับปรุงประสิทธิภาพของคูลอมบ์เป็น 99.06% เจิ้งและคณะ เตรียมเมมเบรนอะรามิดนาโนไฟเบอร์ (ANF) บางเฉียบเพื่อยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ ในการทดสอบทดลอง ภายใต้สภาพแวดล้อมความหนาแน่นกระแสสูงที่ 50mA/cm2 ความจุของ ANF-Li|แบตเตอรี่ LiFePO4 เต็มลดลงเหลือ 80.2% หลังจาก 1200 รอบ และเป็นครั้งแรกที่การวิจัยค้นพบการสะสมของลิเธียมที่เป็นเส้นใย และเมมเบรน ANF ​​ที่เตรียมด้วยรูขนาดนาโนส่งเสริมการแพร่กระจายของอิเล็กโทรไลต์ ช่วยเร่งประสิทธิภาพการขนส่งลิเธียม และขจัดข้อเสียของลิเธียมเดนไดรต์ขนาดไมโครมิเตอร์ที่เจาะเข้าไปในเมมเบรน

(4) การวิจัยเรื่องความปลอดภัยของอิเล็กโทรไลต์

อุบัติเหตุที่เกิดจากความร้อนส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับอิเล็กโทรไลต์ และการปรับปรุงความปลอดภัยของอิเล็กโทรไลต์เพื่อป้องกันการไหลหนีจากความร้อนถือเป็นสิ่งสำคัญ สารหน่วงการติดไฟ สารโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง หรือของเหลวไอออนิกมักถูกเติมลงในอิเล็กโทรไลต์เพื่อเป็นสารเติมแต่งป้องกันประจุเกิน ฟลูออริเนตเอทิลีนคาร์บอเนต (FEC) เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่พบมากที่สุด ซึ่งมีข้อได้เปรียบในการปรับปรุงประสิทธิภาพคูลอมบิกของการกำจัดลิเธียมแบบพลิกกลับได้ในอิเล็กโทรดเชิงลบโดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของฟิล์ม SEI หลี่และคณะ ออกแบบฟิล์ม SEI ที่เป็นผลึกสองชั้นและโพลีเมอร์แข็งระหว่างเฟส SEI โดยใช้ลิเธียมไดฟลูออโรบอเรต (LiDFOB) เป็นเกลือหลักในอิเล็กโทรไลต์ฟอสเฟตผสม การทดลองสารหน่วงไฟแสดงให้เห็นว่าเวลาในการดับไฟเองของอิเล็กโทรไลต์สารหน่วงไฟคือ 6.1 วินาที และประสิทธิภาพที่พลิกกลับได้ของ Li อยู่ที่ 98.2% หลังจากชาร์จจนหมด 150 รอบ แบตเตอรี่ยังคงรักษาความจุของแบตเตอรี่ได้ 89.7%

3.2 การออกแบบการป้องกันความปลอดภัยและการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบแบตเตอรี่พลังงาน

(1) การออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่ให้เหมาะสมที่สุด

การออกแบบโครงสร้างชุดแบตเตอรี่และการเพิ่มประสิทธิภาพตำแหน่งการติดตั้งยานพาหนะมีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงความปลอดภัย เฉินและคณะ ดำเนินการทดลองการจำแนกประเภทเกี่ยวกับผลกระทบของช่วงหนีความร้อนตามรูปแบบแบตเตอรี่ 18650 การทดลองแสดงให้เห็นว่าเวลาในการติดไฟสั้นลง และความเร็วและระยะการแพร่กระจายจะมากขึ้นในพื้นที่ที่มีพื้นที่ให้ความร้อนขนาดใหญ่ แต่การทดลองพิจารณาเฉพาะความร้อนโดยรวมของโมดูลแบตเตอรี่พลังงานและไม่ได้คำนึงถึงความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่นที่เกิดจากการลัดวงจรภายใน หลิว เจิ้นจุน และคณะ ปรับการออกแบบชุดแบตเตอรี่ให้เหมาะสมตามแบบจำลองการกระจายความร้อนสามมิติของชุดแบตเตอรี่พลังงาน และดำเนินการจำลองการกระจายความร้อน การทดลองแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิสูงสุดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ได้รับการปรับปรุงลดลงจาก 46 องศาเป็น 34 องศา และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ถูกควบคุมภายใน 5 องศา

(2) การออกแบบระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความไวต่อความร้อนสูง และการปรับปรุงประสิทธิภาพการปล่อยประจุที่อุณหภูมิต่ำและความปลอดภัยที่อุณหภูมิสูงถือเป็นแกนหลักของระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ วิธีการทำความเย็นสำหรับชุดแบตเตอรี่ ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยของเหลวและการระบายความร้อนด้วยอากาศ ยานพาหนะไฟฟ้าของ Tesla ล้วนใช้เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลว ในขณะที่รถโดยสารไฟฟ้ามักใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เช่น แอโรเจล วัสดุเปลี่ยนเฟส และวัสดุไฮบริด ถูกนำมาใช้ในระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ เนื่องจากมีประสิทธิภาพการดูดซับความร้อนที่ดีเยี่ยม วู และคณะ ได้พัฒนาวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสำหรับระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่โดยใช้ไฮโดรเจล ใช้วัสดุโซเดียมโพลีอะคริเลตต้นทุนต่ำ ความเป็นพลาสติกที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งสามารถสร้างเป็นรูปทรงต่างๆ และซ้อนกันอยู่ในชุดแบตเตอรี่ ซึ่งสามารถรับรู้ถึงผลการกระจายความร้อนของการระบายความร้อนด้วยอากาศและการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบดั้งเดิมในเชิงเศรษฐกิจ

(3) การออกแบบการทำความเย็น การดับเพลิง การปิดกั้น และการนำก๊าซสำหรับการระบายความร้อนของแบตเตอรี่

เมื่อไม่สามารถหลีกเลี่ยงการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ได้ สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องปิดกั้นและทำให้การกระจายความร้อนเย็นลงทันที และนำก๊าซอุณหภูมิสูงเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อแบตเตอรี่ที่ติดตั้งในบริเวณใกล้เคียง

วิธีหลักในการป้องกันการแพร่กระจายของความร้อน ได้แก่: การเติมสารหน่วงไฟ การใช้วัสดุฉนวนเพื่อแยกแบตเตอรี่ที่หนีความร้อนออก หรือการนำเปลวไฟและก๊าซอุณหภูมิสูงออกจากชุดแบตเตอรี่ผ่านทางเดิน ซูและคณะ พัฒนาท่อกระจายความร้อนของก๊าซอุณหภูมิสูงที่มีรูปทรงหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมเรียงตามแบตเตอรี่ ดังรูปที่ 5 แม้ว่าจะไม่สามารถป้องกันการเกิด Thermal Runaway ในแบตเตอรี่แต่ละก้อนได้ แต่ก็สามารถป้องกันการแพร่กระจายของความร้อนเฉพาะที่ในแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ชุดแบตเตอรี่ หลี่ เฮาเหลียง และคณะ ออกแบบระบบบล็อกการแพร่กระจายความร้อนและระบบควบคุมแบบรวมโดยใช้ก๊าซเฉื่อยและสารทำความเย็นผสม ตามแผนภาพการกระจายความร้อนและการเร่งความร้อน จะมีการกำหนดเกณฑ์สำหรับระบบบล็อค การทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถปิดกั้นการแพร่กระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อก้อนแบตเตอรี่มีความร้อนสูงเกินไปในพื้นที่

4. บทสรุป

บทความนี้สรุปผลงานวิจัยเกี่ยวกับกลไกการกระตุ้น สาเหตุ และการจัดการติดตามความปลอดภัยของภาวะหนีความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

(1) ในการวิจัยกลไกการหนีความร้อน ได้มีการวิเคราะห์เสถียรภาพทางความร้อนและกฎการปล่อยความร้อนของส่วนประกอบหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และหลักการของกระบวนการปล่อยความร้อนจากปฏิกิริยา เช่น การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ ตัวคั่น วัสดุออกฤทธิ์ของแบตเตอรี่ และ กาวถูกอธิบายเป็นหลัก

(2) ในการวิจัยเกี่ยวกับปัจจัยกระตุ้นของการไหลหนีจากความร้อน คุณลักษณะและสาเหตุของสภาวะการกระตุ้นที่แตกต่างกันได้รับการจำแนกและสรุป ได้แก่ การใช้กลไกในทางที่ผิด การใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด และการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ที่เกิดจากการใช้ความร้อนในทางที่ผิด

(3) ในแง่ของการป้องกันและติดตามการเคลื่อนตัวของความร้อน บทความนี้อธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับการวิจัยเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของการหนีความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจากสามด้าน ได้แก่ การออกแบบการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การเพิ่มประสิทธิภาพระบบแบตเตอรี่พลังงาน และ การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่และระบบเตือนการตรวจสอบ

แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าที่สำคัญในการศึกษาการหนีความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ก็ยังมีช่องว่างในบางพื้นที่ของการวิจัย การวิจัยเกี่ยวกับผลกระทบของการเสื่อมสภาพต่อความปลอดภัยที่เกิดจากการทับซ้อนกันของเวลาวงจรบนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้เริ่มขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับเส้นทางการเสื่อมสภาพและกลไกต่อเสถียรภาพทางความร้อนยังค่อนข้างหายาก ในเวลาเดียวกัน มีการศึกษาเชิงทดลองเพียงไม่กี่ชิ้นเกี่ยวกับการทำนายและการสร้างแบบจำลองของการแพร่กระจายของเปลวไฟหลังจากที่ความร้อนเกิดขึ้น และยังขาดการวิเคราะห์การจำลองเชิงตัวเลขของการแพร่กระจายของเปลวไฟ จะเห็นได้ว่าการจัดการความปลอดภัยของ Thermal Runaway ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในทิศทางของการเตือนและการปิดกั้นซึ่งต้องมีการวิจัยเพิ่มเติม