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Conoscenza del nucleo dell'oggetto controllato dal sistema BMS - Sovraccarico
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Il concetto di sovraccarico, o sovraccarico eccessivo, è un tipo di abuso di batterie agli ioni di litio in cui la tensione di carica di una batteria agli ioni di litio è troppo elevata rispetto alla sua tensione di interruzione della carica.
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Il concetto di sovraccarico, o sovraccarico eccessivo, è un tipo di abuso di batterie agli ioni di litio in cui la tensione di carica di una batteria agli ioni di litio è troppo elevata rispetto alla sua tensione di interruzione della carica. La carica di una batteria agli ioni di litio di solito imposta la tensione di interruzione della carica, il processo deve utilizzare un metodo di carica a corrente costante e a tensione costante per evitare di sovraccaricare la batteria. Tuttavia, in circostanze particolari, come ad esempio danni al BMS, malfunzionamenti, ecc. porteranno ad un sovraccarico della batteria agli ioni di litio, con conseguenti danni alle prestazioni della batteria e problemi di sicurezza. Il sovraccarico continuo ad alta velocità porterà ad un aumento della temperatura e della pressione interna della batteria, che avrà un effetto devastante sulle prestazioni e sull'aspetto della batteria in casi gravi, come perdite, rigonfiamenti sul fondo, aumento della resistenza interna della batteria e riduzione del tempo di scarica e della durata del ciclo.
Il principio è ben noto, la differenza tra il potenziale positivo e il potenziale negativo della tensione della batteria. Durante la carica, il potenziale positivo aumenta, il potenziale negativo diminuisce.
La formula di reazione è la seguente:
reazione positiva dell'elettrodo:
reazione negativa dell'elettrodo:
x corrisponde alla quantità di litio rimossa/integrata nel materiale dell'elettrodo positivo/catodo. La relazione tra contenuto e tensione del litio positivo e negativo e la relazione tra tensione della batteria e tensione positiva e negativa sono mostrate nella Figura 1. 4.2V è la tensione a piena carica più comune della batteria agli ioni di litio, e l'incongruenza sarà inferiore quando viene utilizzata in un gruppo.
Fig. 1 Relazione tra il contenuto di litio e la tensione degli elettrodi positivi e negativi, la relazione tra la tensione della batteria e la tensione degli elettrodi positivi e negativi
Quando è sovraccarica, l'elettrolito positivo e negativo all'interno della batteria può partecipare alle reazioni laterali. La reazione laterale è solitamente accompagnata da una perdita di capacità della batteria e da una variazione della resistenza interna, che può portare a temperature elevate, flatulenza e, in ultima analisi, ad un'esplosione. In particolare, le reazioni laterali che si verificano in materiali diversi sono diverse.
grafite catodo catodo batteria di reazione di sovraccarica nella sovraccarica, gli ioni di litio sono facilmente ridotti depositati depositati sulla superficie negativa: il litio depositato rivestito nella superficie negativa, bloccando l'incorporazione di litio. Portano all'efficienza di scarica e alla perdita di capacità, le ragioni sono:
la quantità di litio in circolazione ridotta;
litio metallico depositato e solvente o supporto di reazione elettrolitica per formare Li2CO3, LiF, o altri prodotti;
il litio metallico si forma solitamente tra il negativo e la membrana, può bloccare il poro della membrana per aumentare la resistenza interna della batteria;
a causa della natura del litio è molto attivo, facile da reagire con l'elettrolita e consuma elettrolito. Questo porta ad una riduzione dell'efficienza di scarica e ad una perdita di capacità. La carica rapida, l'eccessiva densità di corrente, la forte polarizzazione dell'elettrodo negativo, la deposizione del litio saranno più evidenti. Ciò si verifica quando c'è un eccesso di attivazioni positive relativamente alle attivazioni negative. Tuttavia, a velocità di carica elevate, la deposizione di litio metallico può verificarsi anche se il rapporto tra specie reattive positive e negative è normale.
Reazione di sovraccarico anodico
La sovralimentazione anodica tende a verificarsi quando il rapporto tra specie attive positive e negative è troppo basso rispetto alle specie attive negative.
La perdita di capacità dovuta al sovraccarico anodico è dovuta principalmente alla generazione di sostanze elettrochimicamente inerti (ad es. Co3O4, Mn2O3, ecc.), che perturba l'equilibrio di capacità tra gli elettrodi, e la perdita di capacità è irreversibile. Anche l'eccessiva quantità di rimozione del litio può causare il collasso strutturale. Per il cobalto di litio convenzionale, ternario, la quantità massima di rimozione del litio è di circa il 50%; per la struttura più stabile del fosfato di ferro di litio di tipo olivina, la quantità massima di rimozione del litio è di circa l'80%.
① LiyCoO2
LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4 + O2(g)]+yLiCoO2 y<0.4
Allo stesso tempo, l'ossigeno prodotto dalla decomposizione dei materiali catodici in una batteria sigillata agli ioni di litio a causa dell'assenza di reazioni di ricombinazione (ad es. per generare H2O) e il contemporaneo accumulo di gas infiammabili prodotti dalla decomposizione dell'elettrolita, le conseguenze saranno inimmaginabili.
② λ-MnO2
la reazione del litio manganese si verifica nello stato di ossido di litio manganese completamente de-litio: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)
la reazione di ossidazione dell'elettrolito nella sovraccarica
Quando la pressione è superiore a 4,5V, l'elettrolito si ossida e genera sostanze insolubili (come Li2Co3) e gas. Queste sostanze insolubili ostruiranno i pori dell'elettrodo e impediranno la migrazione degli ioni di litio, con conseguente perdita di capacità durante il ciclo. Fattori che influenzano il tasso di ossidazione:
la superficie del materiale anodico
il materiale da collezione
l'agente conduttore aggiunto (nerofumo, ecc.)
Tipi di nerofumo e dimensioni della superficie
Tra gli elettroliti più comunemente usati oggi, l'EC/DMC è considerato quello con la più alta resistenza all'ossidazione. Il processo di ossidazione elettrochimica di una soluzione si esprime generalmente come: soluzione → prodotti di ossidazione (gas, soluzioni e sostanze solide) + ne - L'ossidazione di qualsiasi solvente aumenterà la concentrazione dell'elettrolito e diminuirà la stabilità dell'elettrolito, influenzando in ultima analisi la capacità della batteria. La reazione è più complicata quando si verifica un sovraccarico in tutta la batteria. Prendiamo come esempio la batteria da 40Ah NCM111+LMO/Gr, le variazioni di tensione, temperatura e resistenza interna durante il processo di sovraccarico sono mostrate nella Figura 2, che può essere divisa approssimativamente in quattro fasi.
Fase 1: 1
Fase 2: 1.2
Fase 3: 1.4
Fase 4: SOC>1.6, la pressione interna della batteria supera il limite, il guscio si rompe, il diaframma si restringe e si deforma, e la batteria si deteriora termicamente. Si verifica un corto circuito all'interno della batteria, una grande quantità di energia viene rilasciata rapidamente e la temperatura della batteria sale bruscamente a 780℃. Le reazioni laterali in ogni fase di sovraccarico sono mostrate in Figura 3.
Riferimenti: D.Ren et al. / Journal of Power Sources.