בעיות יישום ובטיחות של סוללות ליתיום-יון:סוללות ליתיום יון נמצאות בשימוש נרחב בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן, הספק תפוקה גבוה ומתח פלט ממוצע גבוה. עם זאת, תאונות הנגרמות כתוצאה מתקלות בסוללה מתרחשות מדי שנה, ומעטים האנשים שמבינים באופן פעיל את סיכוני הבטיחות. לכן, זיהוי והפחתת הסכנות הבטיחותיות של סוללות ליתיום הוא חיוני.
התוכן העיקרי של המאמר:ראשית, מנותחת תופעת הבריחה התרמית ונידונות מערכות ניטור שונות. לאחר מכן, מודגש היישום של חיישני סיב בראג (FBG) בזיהוי בזמן אמת של נתוני סוללה. לבסוף, שיטות להפחתת בעיות בטיחות בסוללות ליתיום מסוכמות, כולל שימוש בציפוי משטח אלקטרודה, אלקטרוליטים, מפרידים ודיכוי צמיחת דנדריט ליתיום. לתוכן זה יש ערך ייחוס למחקר עתידי על בטיחות סוללת ליתיום.
1. הקדמה
היישום ובעיות הבטיחות של סוללות ליתיום-יון מודגשות:הפיתוח של אנרגיה מתחדשת הוא טרנד של הזמן, וסוללות נמצאות בכל מקום בחיי היומיום. סוללות ליתיום יון נמצאות בשימוש נרחב וחיוניות לפיתוח שדות אנרגיה חדשים. עם זאת, בשנים האחרונות בעיית התחממות יתר שלהם השפיעה על התפתחות כלי הרכב החשמליים, ובטיחות המצבר מעוררת דאגה.
כיוון המחקר ומטרתו של המאמר:מדענים משתמשים בטכנולוגיות שונות כדי לשפר את הבטיחות של סוללות ליתיום-יון. נכון לעכשיו, מחקר ניטור בטיחות על חיזוי ואזהרה תרמית של סוללה הוא כיוון פופולרי. המאמר נועד לסכם שיטות מתקדמות רלוונטיות ולהציג את התקדמות המחקר העדכנית ביותר.
2. שיטות עדכניות לשיפור מקדמי בטיחות
גורם לתאונת בטיחות:כאשר נעשה שימוש לא נכון בסוללות ליתיום (כגון טעינת יתר, התחממות יתר, פגיעה, קצר חשמלי), הטמפרטורה עולה בצורה חריגה, וגורמת לתגובות כימיות פנימיות וליצירת גז ועשן. שסתום הבטיחות נפתח, והחום מעלה עוד יותר את הטמפרטורה, מה שעלול להוביל לבעירה או פיצוץ.
הדרכים לשיפור הבטיחות:כוללים בעיקר ניטור והימנעות מתאונות בטיחות, שדרוג מבני סוללה, או החלפת רכיבים בעייתיים.
שיטות ספציפיות לשיפור הבטיחות של סוללות ליתיום-יון
למנוע בריחה תרמית
עקרון בריחה תרמית:התגובה האקזותרמית של חומרים בתוך הסוללה גורמת לסוללה להתחמם במהירות ולשחרר אנרגיה כימית. מספר גורמים עלולים לגרום להתחממות יתר, כגון עיוות מבני, קצר חשמלי, טעינת יתר, הזדקנות רכיבים, כשל במערכת הקירור וכו'. צפיפות האנרגיה הגבוהה של סוללות והשימוש באלקטרוליטים דליקים מגבירים את הסיכון לבריחה תרמית.
מערכת קירור:מדענים פיתחו מערכות ניהול תרמיות של סוללות (BTMS), כולל מערכות קירור אוויר וקירור נוזלי, אך לשתיהן יש חסרונות. מערכת הקירור ההיברידית משלבת את היתרונות של שניהם ויכולה לווסת ולנהל טוב יותר את פיזור חום הסוללה, והבחירה הספציפית צריכה להיקבע בהתאם למצב.
| מערכות קירור | יתרונות | חסרונות |
|
מקורר אוויר BTMS |
קל משקל במבנה עלות נמוכה בפיתוח ו תַחזוּקָה. |
1. מוליכות תרמית נמוכה ופגיעות ל התכה תרמית. 2. קשה לשימוש בכלי רכב חשמליים. |
|
נוזל מקורר BTMS |
יכולות חום גבוהות ותרמיות מוליכות. |
1. נוטה לנזילת נוזלים 2. קשה לשפר את המערכת בגלל מבנה מורכב |
| BTMS היברידי | יעילות קירור טובה יותר | 1. יותר רכיבים ומורכבות |
חיישן סיב בראג גרטינג (FBG)
עקרון הניטור:מנע סכנות בטיחותיות על ידי ניטור מספר סימפטומים של הסוללה בזמן אמת. שיטות מודרניות משקפות לעתים קרובות בעקיפין את מצב הסוללה על ידי ניטור זרימת חום או זיהוי פיצוח אלקטרודה, בעוד חיישני FBG יכולים למדוד ישירות או בעקיפין את תגובת הטמפרטורה והמתח בתוך הסוללה ומחוצה לה, ולחקור את פירוק האלקטרוליטים דרך האינטראקציה בין האור הנישא על ידי סיבים אופטיים הסביבה הכימית שמסביב.
יתרונות:חיישני FBG הם בעלי מאפיינים של מינימליות פולשניות, הפרעות אנטי אלקטרומגנטיות ובידוד. הם עדיין יכולים לספק נתונים במדויק תחת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. כאשר המחוונים מגיעים לערך הקריטי, ניתן להתאים או להפסיק את פעולת הסוללה במועד, ולשפר את בטיחות השימוש בסוללה.
|
טֶמפֶּרָטוּרָה ניטור |
ניטור טמפרטורה חיצוני: חיישן FBG מחובר ישירות למשטח הסוללה (שיכול להיות בצורה של מטבע או צילינדר) כדי להשיג זיהוי טמפרטורה בזמן אמת. |
|
ניטור טמפרטורה פנימי: מושתל ישירות בסוללה לזיהוי טמפרטורה פנימית. |
|
| ניטור מתח |
ניטור מתח חיצוני: FBG מנטר את המתח החיצוני הנגרם על ידי גורמים כמו שינויי טמפרטורה, דחיסה מכנית, או פגיעות. |
|
ניטור מתח פנימי: FBG מנטר את המתח בתוך הסוללה במהלך השימוש או במהלך הטעינה והפריקה. |
|
| ניטור סימולטני של טמפרטורה ומתח | |
שפר את מפריד הסוללות כדי לייצב את הסוללה
התפקיד ואתגרי העיצוב של מפריד:מפריד הוא מחסום פיזי בסוללה המונע מגע ישיר בין האלקטרודות החיוביות והשליליות ומכיל אלקטרוליטים לקידום תנועת יונים. העיצוב צריך לאזן בין עמידות מכנית לבין נקבוביות או ביצועי הובלה, מה שהופך אותו לאתגר לשימוש במערכות סוללות בקנה מידה גדול.
שיטת שיפור:המחקר הנוכחי מתמקד בעיקר בשיפור ממברנות פוליאולפין מסחריות (PP), כגון ציפוי או השתלה של תרכובות אורגניות/אנאורגניות, וטיפול במשטח בתרכובות עמידות בחום. ניתן להשתמש בטכנולוגיית Electrospinning גם לייצור ממברנות ננו-סיביות, שיכולות לשפר את היציבות התרמית. הוספת חומרים הידרופיליים יכולה לשפר את הביצועים ולעכב צמיחת דנדריט ליתיום.
אלקטרוליט פולימרי לא דליק
בעיות אלקטרוליטים מסורתיות וכיווני שיפור:אלקטרוליטים מסורתיים עשויים לחוות בריחה תרמית בתנאים קיצוניים, מה שמוביל לחמצון, ערבוב חומרי אלקטרודה ואפילו פיצוץ. שיפור דורש התייחסות מקיפה של התכונות הפיזיקליות והכימיות והיציבות של אלקטרוליטים ואלקטרודות. אלקטרוליטים מפולימרים מוצקים (SPEs) הם המגמה העתידית, ללא דליפה, חוזק מכני גבוה ויציבות, שיכולים להפחית את שינוי הנפח של חומרי האלקטרודה.
| סוגי SPEs | מאפיינים |
| SPEs של פולי אתילן אוקסיד |
1. מוליכות גבוהה יותר 2. גודל מתכוונן 3. עלות נמוכה יותר 4. תכונות אלקטרוכימיות יוצאות דופן |
| SPEs של פוליסילוקסן |
1. יציבות תרמית טובה יותר 2. אי דליקות 3. קבועים דיאלקטריים גבוהים יותר |
מאפיינים ומעכבי בעירה של SPEs:SPEs שונים הם בעלי יתרונות שונים, כגון מוליכות גבוהה וגודל מתכוונן של SPEs פוליאתילן אוקסיד; SPEs של Polysiloxane הם בעלי יציבות תרמית טובה ואינם דליקים. רוב ה-SPEs דורשים תוספת של מעכבי בעירה, ומעכבי בעירה אנאורגניים בטוחים וזולים יותר, מה שיכול לשפר את הביצועים של SPEs ולעכב את צמיחת הדנדריט של ליתיום. עם זאת, מחקר SPEs הוא חדש יחסית והיישומים שלהם מוגבלים, ולא ניתן להחליף אלקטרוליטים מסחריים.
| מעכב בעירה | נכסים |
| מעכב בעירה הלוגן |
1. קל במיוחד, דק במיוחד 2. קשה להצית 3. רדיקלים חופשיים שנוצרו מפחיתים פירוליזה 4. המוצר מדלל את ריכוז הגזים והחמצן הדליקים |
| מעכבי בעירה אורגנו-זרחן |
1. בטיחות אש טובה יותר 2. יציבות המחזור של סוללות שופרה 3. נבלמה הצמיחה של דנדריטים ליתיום 4. תוצרי פירוק יכולים להשתלב עם רדיקלים חופשיים דליקים |
|
להבה על בסיס זרחן אנאורגני מעכבים |
1. רעילות נמוכה 2. מחיר נמוך 3. יכול להפוך את המטען על פני השטח של מתכת ליתיום אחיד 4. למנוע דנדריטים ליתיום. |
| מעכב בעירה ננו-מילוי אנאורגני |
1. להקל על התנועה של יוני ליתיום ולשפר יונים מוֹלִיכוּת. 2. הימנע מצמיחה של דנדריטים ליתיום 3. יכולת לעכב התפשטות תרמית 4. יציבות תרמית משופרת |
עיכוב צמיחת דנדריט ליתיום
היווצרות וסכנות של דנדריטים ליתיום:דנדריטים ליתיום נגרמים על ידי שקיעה לא אחידה של יוני ליתיום במהלך נדידת אלקטרודות חיוביות ושליליות, מה שעלול להוביל להתרחבות אלקטרודות, יעילות קולומבית מופחתת, ירידה בקיבולת הסוללה והידרדרות בביצועי הבטיחות, שבסופו של דבר גורמת לכשל בסוללה.
שיטת עיכוב:מעכבים משני כיוונים: אלקטרודה שלילית ממתכת אלקטרוליט וליתיום. הוספת תוספים לאלקטרוליטים יכולה לשפר את הפונקציונליות של שכבת ממשק האלקטרוליט המוצק (SEI), כגון ליתיום פוליסולפידים וליתיום חנקתי, שיכולים לעכב ביעילות את היווצרות דנדריטים ליתיום; מנקודת המבט של אלקטרודות, אלקטרודות ליתיום שליליות תלת מימדיות יכולות להפחית את שינוי הנפח של אלקטרודות שליליות, כגון אלקטרודות מרוכבות של גרפן. יש גם כמה שכבות SEI חדשות שיכולות לעכב ביעילות את צמיחת דנדריט ליתיום.
שיטת ציפוי משטח אלקטרודה
התפקיד והיישום של ציפוי משטח:ציפוי פני השטח הוא הטכנולוגיה העיקרית להגנה על קתודות ושיפור היציבות התרמית של חומרי קתודה, שיכולה לדכא מעבר פאזה ולשפר את מוליכות החומר. השימוש בטכנולוגיית ציפוי פני השטח בחומרי קתודית ניקל קובלט מנגן (NMC) יכול לשפר מבנה מיקרו, ביצועים אלקטרוכימיים, מוליכות תרמית, מקדם דיפוזיה של יונים ויציבות תרמית, להפחית נזק מבני פנימי, להגביר את יציבות הרכיבה ולמנוע שטיפת יוני מתכת.
שיטות והשפעות ספציפיות:אם משתמשים בשיטה הסינתטית "ציפוי+זלוף" לציפוי חומרים ספציפיים בטמפרטורת החדר, או משתמשים בטכנולוגיית ה-sol gel ליצירת ציפוי אחיד על פני הקתודה בטמפרטורה נמוכה, ניתן לשפר משמעותית את יציבות המחזור.
| היבט(ים) | שיפור לאחר ציפוי |
| מורפולוגיה ומבנה מיקרוסקופיים |
1. מבנה משטח קומפקטי יותר באלקטרודה חיובית והורה מבנה סריג 2. יציבות מוגברת. |
| אפיון ביצועים אלקטרוכימיים |
1. יציבות מחזור משופרת משמעותית 2. גדל מכפיל החומר 3. התנגדות החומר מופחתת 4. ביצועי הובלת אלקטרונים השתפרו |
|
מוליכות תרמית, מקדם דיפוזיה ויציבות תרמית |
1. ביצועי העברת חום של חומרים טהורים משופרים 2. קירור הסוללה וביצועי הבטיחות התרמית השתפרו 3. ביצועי פיזור lon השתפרו |
3. סיכום
סיווג שיטות:ניתן לחלק באופן גס את השיטות לשיפור הבטיחות של סוללות ליתיום-יון לשתי קטגוריות: האחת היא ניטור פרמטרי סוללה בזמן אמת כמערכת התרעה מוקדמת למניעת תאונות בטיחות, והשנייה היא שיפור החומרים הפנימיים או המבנה של הסוללה.
אמצעים והשפעות ספציפיות
בקטגוריה הראשונה, מערכות ניהול תרמיות של סוללות (BTMS) יכולות למנוע בריחת תרמית, ול-BTMS היברידי יש את אפקט הקירור הטוב ביותר, אך המבנה מורכב והעלות גבוהה. חיישני Fibre Bragg Grating (FBG) יכולים לנטר את טמפרטורת הסוללה, המתח והלחץ בזמן אמת, ויכולים לזהות במהירות התחממות יתר או תנאים חריגים.
בקטגוריה השנייה, חוקרים שיפרו את הבטיחות של סוללות ליתיום-יון על ידי שיפור מפרידים, אלקטרוליטים, עיכוב צמיחת דנדריט ליתיום וטיפול במשטח הקתודה.