В качестве основного источника питания для современных электронных устройств и электромобилей литий-ионные аккумуляторы широко используются в смартфонах, электромобилях (EV) и персональных легких электромобилях (PLEV), таких как электронные-скутеры и электронные-велосипеды. Несмотря на такие преимущества, как высокая плотность энергии, длительный срок службы и быстрая зарядка, термический разгон (TR) остается наиболее серьезной угрозой безопасности литий-ионных аккумуляторов. Когда температура батареи превышает критический порог (обычно 150-180 градусов), запускается неконтролируемый цикл самонагрева, выделяющий большое количество тепла и токсичных газов, что приводит к пожарам или даже взрывам.
В связи с частыми случаями возгорания аккумуляторов PLEV стало особенно актуально глубоко понять механизм теплового выхода из-под контроля и принять превентивные меры. В этой статье будет проведен систематический анализ от механизма до решений.
I. Основные характеристики термического разгона
Термический разгон – это цепная химическая реакция, которая происходит, когда скорость выделения тепла внутри литий-ионного-аккумулятора превышает его способность рассеивать тепло, с характеристикой самоподдерживающегося-ускорения до тех пор, пока все горючие вещества в аккумуляторе не израсходуются. К его основным проявлениям относятся:
1. Неконтролируемое повышение температуры.
- Порог срабатывания: Экзотермические реакции происходят между электролитом и материалами электродов при температуре 150-180 градусов.
- Скорость повышения температуры: тепло, выделяющееся в результате реакции, может привести к тому, что температура поднимется выше 1000 градусов.
- Риск распространения: высокие температуры могут вызвать распространение тепла в соседних элементах батареи.
2. Извержение газа и разрыв снаряда
- Состав газа: при разложении электролита образуются легковоспламеняющиеся и токсичные газы, такие как водород и окись углерода.
- Накопление давления: внезапное увеличение внутреннего давления герметичной оболочки приводит к разрыву.
- Вторичные катастрофы: извергнутые газы могут взорваться при появлении искр.
3. Пожар и выброс токсичного газа
- Характеристики горения: температура пламени превышает 1000 градусов, катодные материалы разлагаются с выделением кислорода, который поддерживает горение.
- Традиционный метод тушения удушающего пожара малоэффективен и требует постоянного контроля охлаждения.
- Токсичные выбросы: Выброс агрессивных газов, таких как плавиковая кислота (HF), которые вредят дыхательным путям.
4. Механизм теплового распространения.
II. Анализ четырех факторов, вызывающих тепловой разгон
1. Механическое насилие
- Столкновение и прокол. Внешние силы вызывают повреждение сепаратора, что приводит к внутренним коротким замыканиям (например, при падении автомобиля).
- Вибрационная усталость. Непрерывная вибрация вызывает микро-трещины в электродах, что увеличивает риск локального перегрева.
- Рекомендации по инженерной защите. При проектировании аккумуляторных модулей использование высокопрочных медных соединений SMT позволяет повысить механическую стабильность и снизить-микроповреждения, вызванные вибрацией.
2. Злоупотребление электричеством
- Перезарядка или чрезмерная разрядка приводит к ухудшению внутренней структуры.
- Overcharging (>4,2 В/элемент): литиевое покрытие анода образует дендриты, которые проникают через сепаратор.
- Чрезмерная-разрядка (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- Отказ BMS: система управления аккумулятором неисправна и не может предотвратить ненормальные состояния.
3. Термическое насилие
- Высокая температура окружающей среды: аккумуляторы подвергаются воздействию окружающей среды с температурой выше 60 градусов (например, внутри транспортных средств под интенсивным солнечным светом).
- Недостаточное рассеивание тепла: батареи в модулях расположены слишком плотно, что приводит к накоплению тепла.
- Дефекты терморегулирования: Отсутствие эффективной конструкции путей отвода тепла.
4. Производственные дефекты
- Металлические примеси: металлические частицы микронного размера-, оставшиеся в процессе производства, проникают в сепаратор.
- Дефекты сепаратора: Неравномерное покрытие приводит к локальному нарушению изоляции.
- Плохие элементы: в поддельных батареях отсутствуют предохранительные клапаны (CID) и защита от положительного температурного коэффициента (PTC).
Ⅲ.Технологическая система предотвращения термического побега
1. Улучшения в конструкции управления температурным режимом
- Теплоизоляционные барьеры: керамические покрытия/аэрогелевые материалы используются для задержки распространения тепла.
- Системы охлаждения: Электромобили: циркуляционные трубопроводы жидкостного охлаждения; PLEV: улучшенные радиаторы + конструкция воздушного охлаждения.
- Структурная оптимизация: на уровне модуля разумное расположение медных полос SMT с высокой теплопроводностью может обеспечить эффективные боковые пути рассеивания тепла и в сочетании с материалами с фазовым переходом для улучшения теплового баланса.
2. Интеллектуальная система управления батареями (BMS).
- Тройной мониторинг: обнаружение-напряжения, тока и температуры в реальном времени.
- Активная защита: автоматическое отключение-при перезарядке/чрезмерной-разрядке; Динамическая балансировка напряжений ячеек.
- Механизм раннего предупреждения: Беспроводная передача аномальных сигналов тревоги.
3. Искробезопасные материалы.
Сравнение различных материалов аккумуляторов
4. Меры защиты-со стороны пользователя
- Характеристики зарядки: Используйте оригинальные зарядные устройства; Избегайте ночной зарядки; Поддерживайте уровень заряда в пределах 20–80 %.
- Требования к хранению: Прохладное и вентилируемое помещение, вдали от легковоспламеняющихся веществ.
- Идентификация отклонений: Немедленно прекратите использование при обнаружении вздутия или специфического запаха.
Ⅳ. Передовые-технологии мониторинга
- Нормативные стандарты: обеспечьте соблюдение сертификатов безопасности, таких как UL 2271 и IEC 62619.
- Обязанности производителя: Создание системы отслеживания ячеек; Исключите циркуляцию некачественных батарей.
- Технологические инновации: продвигать технологию лазерных сварочных терминалов для обеспечения надежности электрических соединений и снижения локального перегрева, вызванного контактным сопротивлением.
Ⅴ.Заключение
В условиях быстрого развития электротранспорта и отрасли хранения энергии предотвращение перегрева литий-ионных аккумуляторов требует многогранного-сотрудничества в исследованиях и разработках материалов, инженерном проектировании и обучении пользователей. Оптимизируя конструкции управления температурным режимом (например, схемы теплопроводности медных полос SMT), популяризируя интеллектуальные системы BMS и продвигая безопасные химические системы, такие как LFP, мы можем построить более надежную экосистему хранения энергии.
