ปัญหาการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน:แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง กำลังขับสูง และแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยสูง อย่างไรก็ตาม อุบัติเหตุที่เกิดจากแบตเตอรี่ขัดข้องเกิดขึ้นทุกปี และมีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจถึงความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ดังนั้นการระบุและบรรเทาอันตรายด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมจึงเป็นสิ่งสำคัญ
เนื้อหาหลักของบทความ:ประการแรก มีการวิเคราะห์ปรากฏการณ์ของการหนีความร้อนและหารือเกี่ยวกับระบบการตรวจสอบต่างๆ จากนั้น เน้นการประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg (FBG) ในการตรวจจับข้อมูลแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ สุดท้ายนี้ มีการสรุปวิธีการในการลดปัญหาด้านความปลอดภัยในแบตเตอรี่ลิเธียม รวมถึงการใช้การเคลือบพื้นผิวอิเล็กโทรด อิเล็กโทรไลต์ ตัวคั่น และการยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ เนื้อหาเหล่านี้มีค่าอ้างอิงสำหรับการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียม
1. บทนำ
ประเด็นการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีดังนี้:การพัฒนาพลังงานหมุนเวียนเป็นเทรนด์ของยุคสมัย และแบตเตอรี่มีอยู่ทั่วไปในชีวิตประจำวัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีการใช้กันอย่างแพร่หลายและมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาแหล่งพลังงานใหม่ อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ปัญหาความร้อนสูงเกินไปได้ส่งผลกระทบต่อการพัฒนารถยนต์ไฟฟ้า และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ก็เป็นที่น่ากังวล
ทิศทางการวิจัยและวัตถุประสงค์ของบทความ:นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคโนโลยีต่างๆ เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในปัจจุบัน การวิจัยการติดตามความปลอดภัยเกี่ยวกับวิธีการทำนายและการเตือนการหนีความร้อนของแบตเตอรี่เป็นทิศทางที่ได้รับความนิยม บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสรุปวิธีการขั้นสูงที่เกี่ยวข้องและแนะนำความคืบหน้าการวิจัยล่าสุด
2. วิธีการปัจจุบันในการปรับปรุงปัจจัยด้านความปลอดภัย
สาเหตุของอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย:เมื่อใช้แบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไม่เหมาะสม (เช่น การชาร์จไฟเกิน, ความร้อนสูงเกินไป, การกระแทก, ไฟฟ้าลัดวงจร) อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างผิดปกติ ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีภายในและทำให้เกิดก๊าซและควัน วาล์วนิรภัยจะเปิดขึ้น และความร้อนจะเพิ่มอุณหภูมิอีก ซึ่งอาจทำให้เกิดการเผาไหม้หรือการระเบิดได้
วิธีปรับปรุงความปลอดภัย:ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการติดตามและหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย การอัพเกรดโครงสร้างแบตเตอรี่ หรือการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่มีปัญหา
วิธีการเฉพาะในการปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
ป้องกันการหลบหนีจากความร้อน
หลักการหนีความร้อน:ปฏิกิริยาคายความร้อนของวัสดุภายในแบตเตอรี่ทำให้แบตเตอรี่ร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานเคมีออกมา ปัจจัยหลายประการอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป เช่น การเสียรูปของโครงสร้าง การลัดวงจร การชาร์จไฟมากเกินไป การเสื่อมสภาพของส่วนประกอบ ระบบทำความเย็นทำงานล้มเหลว ฯลฯ ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงของแบตเตอรี่และการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้จะเพิ่มความเสี่ยงที่จะเกิดความร้อนหลุดลอย
ระบบทำความเย็น:นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ (BTMS) รวมถึงระบบระบายความร้อนด้วยอากาศและระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว แต่ทั้งสองระบบก็มีข้อเสีย ระบบระบายความร้อนแบบไฮบริดผสมผสานข้อดีของทั้งสองอย่างเข้าด้วยกัน และสามารถควบคุมและจัดการการกระจายความร้อนของแบตเตอรี่ได้ดีขึ้น และควรพิจารณาตัวเลือกเฉพาะตามสถานการณ์
| ระบบทำความเย็น | ข้อดี | ข้อเสีย |
|
ระบายความร้อนด้วยอากาศ บีทีเอ็มเอส |
น้ำหนักเบาในโครงสร้าง ต้นทุนต่ำในการพัฒนาและ การซ่อมบำรุง. |
1. การนำความร้อนต่ำและมีความเสี่ยงต่อ การละลายด้วยความร้อน 2. ใช้งานยากในรถยนต์ไฟฟ้า |
|
ระบายความร้อนด้วยของเหลว บีทีเอ็มเอส |
ความจุความร้อนสูงและความร้อน การนำไฟฟ้า |
1. มีแนวโน้มที่จะเกิดการรั่วไหลของของเหลว 2. ปรับปรุงระบบได้ยากเนื่องจากมีโครงสร้างที่ซับซ้อน |
| ไฮบริด BTMS | ประสิทธิภาพการทำความเย็นที่ดีขึ้น | 1. องค์ประกอบและความซับซ้อนมากขึ้น |
เซ็นเซอร์ตะแกรงไฟเบอร์แบร็ก (FBG)
หลักการตรวจสอบ:ป้องกันอันตรายด้านความปลอดภัยโดยการตรวจสอบอาการต่างๆ ของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ วิธีการสมัยใหม่มักจะสะท้อนสถานะของแบตเตอรี่โดยอ้อมโดยการตรวจสอบการไหลของความร้อนหรือตรวจจับการแตกร้าวของอิเล็กโทรด ในขณะที่เซ็นเซอร์ FBG สามารถวัดอุณหภูมิและการตอบสนองความเครียดทั้งภายในและภายนอกแบตเตอรี่ได้โดยตรงหรือโดยอ้อม และศึกษาการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ผ่านปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงที่พาโดยเส้นใยนำแสงและ สภาพแวดล้อมทางเคมีโดยรอบ
ข้อดี:เซ็นเซอร์ FBG มีคุณลักษณะของการบุกรุกน้อยที่สุด ป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และเป็นฉนวน พวกเขายังสามารถให้ข้อมูลได้อย่างแม่นยำภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันสูง เมื่อตัวบ่งชี้ถึงค่าวิกฤต สามารถปรับหรือหยุดการทำงานของแบตเตอรี่ได้ทันเวลา ช่วยเพิ่มความปลอดภัยในการใช้แบตเตอรี่
|
อุณหภูมิ การตรวจสอบ |
การตรวจสอบอุณหภูมิภายนอก: เซ็นเซอร์ FBG ติดโดยตรงกับพื้นผิวของแบตเตอรี่ (ซึ่งสามารถอยู่ในรูปทรงได้ ของเหรียญหรือทรงกระบอก) เพื่อให้เกิดการตรวจจับอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ |
|
การตรวจสอบอุณหภูมิภายใน: ถูกฝังลงในแบตเตอรี่โดยตรงเพื่อตรวจจับอุณหภูมิภายใน |
|
| การตรวจสอบความเครียด |
การตรวจสอบความเครียดภายนอก: FBG ตรวจสอบความเครียดภายนอกที่เกิดจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การบีบอัดทางกลหรือการกระแทก |
|
การตรวจสอบความเครียดภายใน: FBG ตรวจสอบความเครียดภายในแบตเตอรี่ระหว่างการใช้งานหรือระหว่างการชาร์จและการคายประจุ |
|
| การตรวจสอบอุณหภูมิและความเครียดพร้อมกัน | |
ปรับปรุงตัวแยกแบตเตอรี่เพื่อรักษาเสถียรภาพของแบตเตอรี่
ความท้าทายด้านบทบาทและการออกแบบของตัวแยก:ตัวแยกคือสิ่งกีดขวางทางกายภาพในแบตเตอรี่ที่ป้องกันการสัมผัสโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบ และรองรับอิเล็กโทรไลต์เพื่อส่งเสริมการเคลื่อนที่ของไอออน การออกแบบจำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างความทนทานทางกลและความพรุนหรือประสิทธิภาพการขนส่ง ทำให้เกิดความท้าทายสำหรับการใช้งานในระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่
วิธีการปรับปรุง:การวิจัยในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงเมมเบรนโพลีโอเลฟิน (PP) เชิงพาณิชย์เป็นหลัก เช่น การเคลือบหรือการต่อกิ่งสารประกอบอินทรีย์/อนินทรีย์ และการบำบัดพื้นผิวด้วยสารประกอบทนความร้อน เทคโนโลยีอิเล็กโตรสปินนิ่งยังสามารถใช้ในการผลิตเมมเบรนนาโนไฟเบอร์ ซึ่งสามารถเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนได้ การเติมวัสดุที่ชอบน้ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและยับยั้งการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์
อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่ไม่ติดไฟ
ปัญหาอิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิมและแนวทางการปรับปรุง:อิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิมอาจประสบกับความร้อนที่ไหลหนีภายใต้สภาวะที่รุนแรง ซึ่งนำไปสู่การออกซิเดชัน วัสดุอิเล็กโทรดผสม และแม้แต่การระเบิด การปรับปรุงจำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีอย่างครอบคลุม ตลอดจนความเสถียรของอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด โซลิดโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (SPE) คือเทรนด์แห่งอนาคต โดยไม่มีการรั่วไหล มีความแข็งแรงเชิงกลสูง และมีเสถียรภาพ ซึ่งสามารถลดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของวัสดุอิเล็กโทรดได้
| ประเภท SPE | ลักษณะเฉพาะ |
| โพลีเอทิลีนออกไซด์ SPE |
1. การนำไฟฟ้าที่สูงขึ้น 2. ปรับขนาดได้ 3. ต้นทุนที่ต่ำกว่า 4. คุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่โดดเด่น |
| โพลีไซลอกเซน SPE |
1. เสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้น 2. การไม่ติดไฟ 3. ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่สูงขึ้น |
ลักษณะและสารหน่วงไฟของ SPEs:SPE ที่แตกต่างกันมีข้อดีที่แตกต่างกัน เช่น ค่าการนำไฟฟ้าสูงและ SPE ของโพลีเอทิลีนออกไซด์ที่ปรับขนาดได้ Polysiloxane SPEs มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีและไม่ติดไฟ SPE ส่วนใหญ่ต้องการการเติมสารหน่วงการติดไฟ และสารหน่วงการติดไฟแบบอนินทรีย์นั้นปลอดภัยกว่าและราคาถูกกว่า ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของ SPE และยับยั้งการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ได้ อย่างไรก็ตาม การวิจัย SPE นั้นค่อนข้างใหม่และการใช้งานมีจำกัด และไม่สามารถทดแทนอิเล็กโทรไลต์เชิงพาณิชย์ได้
| สารหน่วงไฟ | คุณสมบัติ |
| สารหน่วงไฟฮาโลเจน |
1. เบาพิเศษ บางเฉียบ 2. ติดไฟได้ยาก 3. อนุมูลอิสระที่สร้างขึ้นช่วยลดการเกิดไพโรไลซิส 4. ผลิตภัณฑ์จะเจือจางความเข้มข้นของก๊าซที่ติดไฟได้และออกซิเจน |
| สารหน่วงไฟออร์กาโนฟอสฟอรัส |
1. ความปลอดภัยจากอัคคีภัยที่ดีขึ้น 2. ปรับปรุงความเสถียรของวงจรของแบตเตอรี่ 3. ยับยั้งการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ 4. ผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวสามารถรวมกับอนุมูลอิสระที่ติดไฟได้ |
|
เปลวไฟจากอนินทรีย์ฟอสฟอรัส สารหน่วง |
1. ความเป็นพิษต่ำ 2. ราคาต่ำ 3. สามารถประจุบนพื้นผิวของชุดลิเธียมโลหะได้ 4. ป้องกันลิเธียมเดนไดรต์ |
| สารหน่วงไฟนาโนฟิลเลอร์อนินทรีย์ |
1. อำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนและเพิ่มไอออน การนำไฟฟ้า 2. หลีกเลี่ยงการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ 3. ความสามารถในการยับยั้งการแพร่กระจายของความร้อน 4. ปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อน |
ยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเทียม เดนไดรต์
การก่อตัวและอันตรายของลิเธียมเดนไดรต์:ลิเธียมเดนไดรต์เกิดจากการสะสมของลิเธียมไอออนที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างการเคลื่อนตัวของอิเล็กโทรดบวกและลบ ซึ่งอาจนำไปสู่การขยายตัวของอิเล็กโทรด ประสิทธิภาพคูลอมบิกลดลง ความจุของแบตเตอรี่ลดลง และประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยลดลง ส่งผลให้แบตเตอรี่เสียหายในที่สุด
วิธีการยับยั้ง:ยับยั้งจากสองทิศทาง: อิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดลบโลหะลิเธียม การเติมสารเติมแต่งลงในอิเล็กโทรไลต์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของชั้นส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) เช่น ลิเธียมโพลีซัลไฟด์และลิเธียมไนเตรต ซึ่งสามารถยับยั้งการก่อตัวของลิเธียมเดนไดรต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากมุมมองของอิเล็กโทรด อิเล็กโทรดเชิงลบลิเธียมสามมิติสามารถลดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของอิเล็กโทรดเชิงลบ เช่น อิเล็กโทรดคอมโพสิตกราฟีน นอกจากนี้ยังมีชั้น SEI ใหม่บางส่วนที่สามารถยับยั้งการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
วิธีการอิเล็กโทรดเคลือบผิว
บทบาทและการประยุกต์ใช้การเคลือบผิว:การเคลือบผิวเป็นเทคโนโลยีหลักในการปกป้องแคโทดและปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุแคโทด ซึ่งสามารถระงับการเปลี่ยนเฟสและเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุ การใช้เทคโนโลยีการเคลือบพื้นผิวในวัสดุแคโทดนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสเทอร์นารี (NMC) สามารถปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า การนำความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายไอออน และความเสถียรทางความร้อน ลดความเสียหายของโครงสร้างภายใน เพิ่มเสถียรภาพในการปั่นจักรยาน และป้องกันการชะล้างไอออนของโลหะ
วิธีการและผลกระทบเฉพาะ:หากใช้วิธีการสังเคราะห์ "การเคลือบ+การกำซาบ" เพื่อเคลือบวัสดุเฉพาะที่อุณหภูมิห้อง หรือใช้เทคโนโลยีโซลเจลเพื่อสร้างการเคลือบที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวแคโทดที่อุณหภูมิต่ำ เสถียรภาพของวงจรจะดีขึ้นอย่างมาก
| มุมมอง | การปรับปรุงหลังการเคลือบ |
| สัณฐานวิทยาและโครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์ |
1. โครงสร้างพื้นผิวที่กะทัดรัดยิ่งขึ้นในขั้วบวก และสั่งทำโครงสร้างขัดแตะ 2. ความมั่นคงที่เพิ่มขึ้น |
| ลักษณะสมรรถนะทางเคมีไฟฟ้า |
1. ปรับปรุงเสถียรภาพของวงจรให้ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด 2. ตัวคูณวัสดุเพิ่มขึ้น 3. ความต้านทานของวัสดุลดลง 4. ประสิทธิภาพการขนส่งอิเล็กตรอนดีขึ้น |
|
การนำความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของไอออน และเสถียรภาพทางความร้อน |
1. ปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของวัสดุบริสุทธิ์ 2. ประสิทธิภาพการระบายความร้อนและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ดีขึ้น 3. ประสิทธิภาพการแพร่กระจายของลอนดีขึ้น |
3. สรุป
การจำแนกวิธีการ:วิธีการปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ การตรวจสอบพารามิเตอร์ของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์เพื่อใช้เป็นระบบเตือนภัยล่วงหน้าเพื่อป้องกันอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย และอีกวิธีคือการปรับปรุงวัสดุหรือโครงสร้างของแบตเตอรี่ภายใน แบตเตอรี่
มาตรการและผลกระทบเฉพาะ
ในประเภทแรก ระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ (BTMS) สามารถป้องกันการหนีความร้อนได้ และ BTMS แบบไฮบริดมีผลในการระบายความร้อนที่ดีที่สุด แต่โครงสร้างมีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง เซ็นเซอร์ Fiber Bragg Grating (FBG) สามารถตรวจสอบอุณหภูมิ แบตเตอรี่ ความเครียด และความดันได้แบบเรียลไทม์ และสามารถระบุสภาวะความร้อนสูงเกินไปหรือผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว
ในประเภทที่สอง นักวิจัยได้ปรับปรุงความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยการปรับปรุงตัวแยก อิเล็กโทรไลต์ การยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ และการรักษาพื้นผิวแคโทด