أصبحت سلامة بطارية الليثيوم عالية النيكل توافقًا في الآراء ، لكن بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة مقسمة الآن
جلب سوق السيارات الكهربائية الذي يحترم كثافة الطاقة تحديات كبيرة لسلامة مجموعات البطاريات والمركبات الكاملة. في عام 2018 ، كان هناك 52 حادث أمان لكل مليون سيارة كهربائية في الصين. من حيث المشاهد ، فإن الشحن والقيادة ومواقف السيارات كلها مشاهد تحدث فيها حوادث السلامة.
إذا تم تحليل الأسباب ، فإن 58٪ من حوادث الحريق ناتجة عن الهروب الحراري لبطاريات الليثيوم. ما يقرب من 90 ٪ من الهروب الحراري ناتج عن دوائر قصيرة. على مستوى الخلية ، فإن المواد الموجبة والسالبة ، والإلكتروليت ، والحجاب الحاجز هي الصمامات المباشرة للهروب الحراري. بعد التجميع ، ترتبط كيفية كبح الانتشار الحراري في التصميم الإنشائي والتبريد والتحكم الكهربائي بما إذا كان يمكن تقليل أو كبت مخاطر الانفلات الحراري.
في الفترة من 16 إلى 17 أكتوبر 2019 ، عُقد مؤتمر الصين واليابان وكوريا للجيل الجديد من تكنولوجيا بطاريات السيارات للطاقة الجديدة لعام 2019 في شنغهاي. ينقسم المؤتمر إلى منتديين ، والموضوعات هي السلامة الحرارية للبطاريات والحلول وتكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة الرئيسية وتحديات التصنيع.
سيناقش المنتدى الأول ، وشركات تصنيع المعدات الأصلية ، وشركات بطاريات الطاقة ، والجامعات المعروفة ، والمختبرات ، ومؤسسات الاختبار أسباب وحلول الهروب الحراري للبطاريات عالية النيكل مع استمرار ارتفاع مستوى الطاقة المحدد لبطاريات الطاقة. يدور المنتدى 2 حول تحليل طرق مختلفة لتكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة والوضع الراهن.
نظام لمعرفة السلامة الحرارية
تبدأ دورة الحياة الكاملة لبطارية الطاقة من اختيار نظام المواد ، إلى اكتمال خلية البطارية ، وتشكيل الوحدات والحزم ، وإدارة البطارية بعد التثبيت والتطبيق ، إلى الاستخدام في تشغيل السيارة.
السبب الجذري للهروب الحراري هو خلية البطارية. الأقطاب الموجبة والسالبة هي"؛ fuse"؛ والإلكتروليت هو&مثل ؛ تخزين الوقود&مثل ؛. إنها تحتاج فقط إلى"؛ spark"؛ لإحداث هروب حراري أو حريق.
& مثل ؛ سباركس&مثل ؛ إما أن تأتي من داخل الخلية أو تنشأ من الخارج. تشير العوامل الداخلية بشكل أساسي إلى العوامل غير المستقرة الناتجة أثناء تصميم البطارية وتصنيعها ؛ تشير العوامل الخارجية بشكل أساسي إلى الأسباب الناجمة عن الأفراد والظروف الخارجية أثناء نقل البطارية وتركيبها وتشغيلها وصيانتها.
يحدث فشل الأمان الحراري للبطارية بشكل أساسي بسبب ارتفاع درجة الحرارة الموضعية ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي داخل البطارية ، أو يتسبب قصر الدائرة الصغيرة في إتلاف الحجاب الحاجز للبطارية ودائرة قصر أكبر في المنطقة.
تمت ترقية بطاريات الليثيوم أيون من NCM111 و NCM523 إلى NCM622 و NCM811. يستمر محتوى النيكل في المادة الثلاثية للإلكترود الموجب في الزيادة ، وتستمر درجة حرارة إطلاق الأكسجين في الانخفاض ، ويزداد الاستقرار الحراري لمادة القطب الموجب سوءًا. يعني الانخفاض في درجة حرارة إطلاق الأكسجين أن بطارية الليثيوم أكثر مقاومة للحرارة. مع زيادة درجة الحرارة ، تتغير مادة القطب الموجب من بنية ذات طبقات إلى بنية إسبنيل ، ثم تشكل ملحًا صخريًا وتطلق الأكسجين النشط. يعتبر نمو الملح الصخري وإطلاق الأكسجين من المشاكل الأساسية التي يسببها الهروب الحراري.
يعد سوء استخدام المواد الكهروكيميائية من أكثر المشكلات التي تصيب مصانع خلايا البطارية. في ظل ظروف إساءة الاستخدام مثل الصدمة الحرارية ، والشحن الزائد ، والإفراط في التفريغ ، ستنتج المادة النشطة والإلكتروليت داخل البطارية تشعبات الليثيوم ، والتي تخترق الحجاب الحاجز وتتسبب في حدوث ماس كهربائي داخلي. يعد تطور الليثيوم في القطب السالب سببًا رئيسيًا لنمو تشعبات الليثيوم. لذلك ، فإن كيفية منع تشعبات الليثيوم هي قضية مهمة.
تعد الدائرة القصيرة للأقطاب الموجبة والسالبة الناتجة عن فشل الحجاب الحاجز جزءًا مهمًا من الهروب الحراري. عندما يتم تدمير فيلم الأمان الخاص بغشاء SEI ، يتفاعل الإلكتروليت مع القطب لتوليد الحرارة ، والتي ستذيب الحجاب الحاجز. علاوة على ذلك ، فإن العدو الذي يواجه الحجاب الحاجز هو تشعبات الليثيوم ، مما يهدد سلامته واستقراره.
بالإضافة إلى عطل البطارية الناجم عن قصر الدائرة الداخلية ، والشحن الزائد ، وتقادم البطارية ، وما إلى ذلك ، سيتم أيضًا تحويل الأعطال الميكانيكية في ظل الظروف القاسية مثل ماس كهربائى خارجي ، والبثق ، والحريق ، والغطس ، والاصطدام المحاكي إلى دائرة قصر داخلية وتسبب الكهرباء الفشل ، والذي سيؤدي في النهاية إلى هروب حراري.
ستؤدي بعض حالات الفشل وتدهور الأداء التي قد تحدث أثناء دورة الحياة الكاملة للبطارية&# 39 ؛ إلى استخدام البطاريات خارج نطاق الاستخدام الآمن ويسبب بعض حوادث السلامة.
يعمل مصنع البطارية وتصنيع المعدات الأصلية معًا
تتطلب الأسباب الداخلية والخارجية للهروب الحراري تعاون مصنعي البطاريات ومصنعي المعدات الأصلية لتوفير حل شامل ، بما في ذلك المواد الإيجابية والسلبية ، والفواصل ، والإلكتروليت ، وإدارة البطارية ، وتصميم هيكل PACK.
بالنسبة لمصانع البطاريات ، ابحث عن إلكتروليتات مثبطة للهب عالية الضغط ومقاومة لدرجات الحرارة العالية ، أو مواد كاثود أحادية البلورة عالية المقاومة للحرارة ، أو مواد أنود تمنع تشعبات الليثيوم ، أو استخدم كاثودات NMC811 المغلفة بأمانات لتحسين الجفاف. يقدم تطبيق الحجاب الحاجز الفرنسي غشاءًا خزفيًا لقمع الهروب الحراري على مستوى الخلية.
بالنسبة لمصنعي المعدات الأصلية ، فإن الاهتمام بسلامة البطارية نفسها بعيد كل البعد عن أن يكون كافياً. بالإضافة إلى مشاكل البطارية نفسها ، فإن التوصيل الكهربائي للبطارية ، والسلامة الميكانيكية ، ووصلة الشحن ، ومشاكل الاستخدام اليومي ، والتعامل السريع مع المشاكل هي جوهر سلامة السيارة الكهربائية.
تم تصميم نظام حماية سلامة بطارية الطاقة OEM&والتحقق منه من أربعة جوانب: المونومر ، والوحدة النمطية ، ونظام إدارة المباني ، والنظام. من ناحية أخرى ، يضمن مصنعو البطاريات أنفسهم السلامة من روابط التصميم والتصنيع. من ناحية أخرى ، ينظر مصنعي المعدات الأصلية إلى السلامة الميكانيكية والكهربائية والحرارية من منظور سلامة الوحدة ، مثل التخليص الآمن وتصميم القوة والحماية.
فيما يتعلق بهيكل التجميع ، يجب على مصنعي المعدات الأصلية مراعاة ظروف التشغيل المختلفة للمركبة ، بالإضافة إلى خطوط أنابيب التبريد وتقنيات التبريد الجديدة والتحذير المبكر من الهروب الحراري وعدم الانتشار. في الوقت نفسه ، يجب أن يفكروا في إطفاء الحرائق النشط وكيفية إطفاء الحرائق من خلال الهياكل الخارجية.
يفكر مصنعي المعدات الأصلية بشكل عام في كيفية تحسين تصميم سلامة حزمة البطارية من مستوى النظام. سواء كانت مواد إلكترود موجبة أو سالبة ، فإن الإلكتروليتات ، والأغشية ، والتصميم الهيكلي ، والتبريد ، والإدارة الحرارية ، والتحذيرات الاحترازية لـ PACK بعد المجموعة كلها عناصر لتحليل OEM.
تعد سلامة بطاريات الليثيوم موضوعًا كبيرًا ، حيث يشمل جميع الجوانب من المواد والإنتاج إلى التطبيقات. يتطلب ضمان السلامة الحرارية للمركبات الكهربائية تعاون مصنعي المعدات الأصلية ومصانع البطاريات ومؤسسات الاختبار لتحليل آلية الهروب الحراري واستكشاف تقنيات جديدة لتأخير حدوث الهروب الحراري.
أصوات مختلفة من بطاريات الحالة الصلبة
تشير الحركة الأمامية للسيارات الكهربائية إلى أن معيار الطاقة المحدد لبطاريات الطاقة لن يتراجع. أصبح استخدام المواد الإيجابية والسلبية عالية الإمكانات اتجاهًا ، ويظهر NCM811 وأنودات الكربون السيليكونية بشكل متزايد في المسارات التقنية لمصانع البطاريات. لكن خطر نشوب حريق لا يزال يهدد استخدام البطاريات عالية النيكل. لذلك ، وجه مصنعو البطاريات ومصنعي المعدات الأصلية انتباههم إلى إلكتروليتات الحالة الصلبة المثبطة للهب والمقاومة للضغط العالي ، على أمل حل مشكلة التوازن بين الطاقة المحددة والسلامة.
ومع ذلك ، في هذا المؤتمر الصيني الياباني الكوري ، كانت آراء الضيوف الصينيين واليابانيين بشأن البحث وتطبيق بطاريات الحالة الصلبة مختلفة تمامًا ، مما يمثل تحديًا لوجهات النظر المتأصلة في الصناعة بشأن بطاريات الحالة الصلبة . بالنسبة للجهود المتضافرة لموقع حلول الأمان عالية النيكل ، فإن موقع بطارية الحالة الصلبة يمضي قدمًا في الاختلافات.
يمكن وصف خبير بطاريات الحالة الصلبة في اليابان لمدة 30 عامًا الدكتور تاداهيكو كوبوتا ، خبير أساسيات بطاريات تويوتا وهوندا اليابانية السابق ، أوجي إيكي ، بالتعليقات على الحالة الحالية لأبحاث بطاريات الحالة الصلبة بأنها&مثل ؛ متشائم&مثل ؛. من الصعب جدًا استخدام بطاريات الحالة الصلبة في السيارات الكهربائية. من ناحية أخرى ، فإن مصانع البطاريات المحلية مثل Qingtao و Weilan و Huineng و Guoxuan Hi-Tech والأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة Tongji وجامعة Shanghai Jiaotong كلها تعمل بلا كلل على بطاريات الحالة الصلبة.
يمكن تلخيص آراء الخبراء اليابانيين على النحو التالي: تويوتا كبريتيد لا يزال في مرحلة البحث والتطوير ، والإنتاج الضخم مستحيل مع المستوى الحالي للتكنولوجيا. كانت نيتها الأصلية لتطوير بطاريات الحالة الصلبة هي تقليل بطاريات المركبات الهجينة. يعتقد العالم الخارجي خطأً أن بطاريات الحالة الصلبة تستخدم في السيارات الكهربائية. هذا هو الفرق بين التفكير الداخلي لشركة Toyota&والرأي العام الخارجي.
فيما يتعلق بالسلامة ، يمكن أن تنتج بطاريات الحالة الصلبة أيضًا تشعبات الليثيوم ، والسلامة مقلقة للغاية. والحكم على سلامته لا يمكن الحكم عليه من خلال ما إذا كان المنحل بالكهرباء قابل للاشتعال. المشكلة الأكثر أهمية هي الاتصال المباشر بين القطب الموجب والقطب السالب ذي الطاقة العالية الكثافة.
قد تزيد البطاريات الصلبة بالكامل من كثافة الطاقة ، أحد الأسباب هو أنه يمكن تقليل المواد الخارجية. لكن هذه ليست مجرد خاصية مميزة لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل.
فيما يتعلق بالشحن السريع ، لم تؤكد ورقة Toyota&ومعظم الباحثين أي دليل على أن جميع بطاريات الحالة الصلبة يمكن شحنها بسرعة. قالوا جميعًا أن تشعبات الليثيوم تتشكل أثناء الشحن. كلما زاد عدد الأشخاص الذين يفهمون بطاريات الحالة الصلبة بالكامل ، زاد رفضهم إمكانية شحنها بسرعة.
ترتبط معظم براءات اختراع Toyota&في العقد الماضي بالمقاومة. لقد تم دراسة هذه المشكلة منذ عشر سنوات ، وما زالت مشكلة كبيرة.
آراء مصانع البطاريات المحلية: يرتبط انتشار الحرائق الحقيقية ارتباطًا مباشرًا بالإلكتروليتات السائلة العضوية. يمكن للإلكتروليتات الصلبة التي تتراوح من البوليمرات إلى الإلكتروليتات الخزفية تحسين سلامة البطارية بدرجات متفاوتة. من حيث السلامة وكثافة الطاقة ، تم تحسين بطاريات الحالة الصلبة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية في الماضي. الفرضية هي أنه يجب أن يكون لدينا تقنية جيدة لحل مشكلة الواجهة ، والتأكد من أن المنحل بالكهرباء الصلب يمكن أن يتكيف مع تصميم البطارية ويلبي متطلبات بطارية الطاقة ذات النسبة العالية.
نعتقد أن بطاريات الحالة الصلبة لها مزايا في بعض الجوانب. عندما يتم استبدال الحجاب الحاجز والإلكتروليت بمواد صلبة ، سيكون لهما أمان أعلى. عندما يتم زيادة عتبة الأمان للنظام بأكمله ، يمكن لهذا النظام استخدام المواد الإيجابية والسلبية عالية الإمكانات ، مثل الأقطاب الكهربائية السالبة لمعدن الليثيوم ، وسيكون له كثافة طاقة أعلى في المستقبل.
التفكير الحالي هو أن تكون متوافقًا مع معدات بطاريات الليثيوم الحالية وتكنولوجيا بطاريات الليثيوم قدر الإمكان ، وخفض التكلفة قدر الإمكان. نظرًا لأن بطاريات الحالة الصلبة تتميز بكثافة طاقة عالية وأمان عالي ، فيمكن استخدامها أولاً في بعض المواقف الخاصة.
ميزة كثافة الطاقة لبطاريات الحالة الصلبة غير واضحة نسبيًا على مستوى الخلية ، وهي أكثر وضوحًا على مستوى PACK. بحلول عام 2021 ، ستستخدم بطاريات الحالة الصلبة مواد نشطة ذات معدلات استخدام أعلى ، وستكون كثافة الطاقة على مستوى الخلية مماثلة لتلك الموجودة في البطاريات السائلة ، ثم تتجاوزها تدريجيًا.
على الرغم من وجود خلافات بين الخبراء المحليين والأجانب حول كثافة الطاقة وسلامة بطاريات الحالة الصلبة ، إلا أنهم يعتقدون أساسًا أن التطبيق التجاري لبطاريات الحالة الصلبة هو عملية طويلة من أجل حل بعض أوجه القصور في البطاريات السائلة. لذلك ، يمكن استيراد بطاريات الحالة الصلبة من مجالات الدراجات النارية والإلكترونيات الاستهلاكية أولاً ، ثم إدخالها في مجال السيارة الكهربائية عندما تنضج الأبعاد الثلاثة للسلامة والأداء والتكلفة.
