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L'importanza della sicurezza delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

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L'importanza della sicurezza delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

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Le batterie agli ioni di litio si distinguono tra i dispositivi chimici di accumulo dell'energia per l'elevata densità energetica, l'alta densità di potenza e la lunga durata. Grazie alla loro tecnologia matura, sono state ampiamente utilizzate nel campo dei prodotti elettronici portatili. Con il sostegno delle politiche nazionali, la domanda di batterie agli ioni di litio nei settori dei veicoli elettrici e dell'accumulo di energia su larga scala sta registrando una crescita esplosiva.

Le batterie agli ioni di litio sono generalmente sicure, ma ci sono segnalazioni di incidenti di sicurezza che vengono presentate al pubblico. Esempi famosi sono gli incendi delle batterie degli aerei Boeing 737 e B 787 negli ultimi anni, nonché gli incendi della Tesla Model S. Fino ad oggi, la sicurezza rimane un fattore chiave che limita l'applicazione delle batterie agli ioni di litio nei settori ad alta energia e ad alta potenza. La fuga termica non è solo la causa fondamentale dei problemi di sicurezza, ma anche una delle carenze che limitano le prestazioni delle batterie agli ioni di litio.

I potenziali problemi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio incidono notevolmente sulla fiducia dei consumatori. Sebbene ci si aspetti che il BMS possa monitorare accuratamente le condizioni di sicurezza e prevedere il verificarsi di determinati guasti, la situazione del thermal runaway è complessa e variegata, ed è difficile per un singolo sistema tecnico garantire tutte le condizioni di sicurezza affrontate durante il suo ciclo di vita. Per questo motivo, l'analisi e lo studio delle cause del fenomeno del thermal runaway sono ancora necessari per ottenere una batteria agli ioni di litio sicura e affidabile.

L'analisi termica ha condotto numerosi studi sulle reazioni chimiche coinvolte nell'insorgenza del fenomeno e questo articolo non si dilungherà oltre. Questo articolo prende spunto dalla linea di vita delle batterie di potenza per spiegare e analizzare i fattori e le soluzioni che limitano le prestazioni di sicurezza di una batteria agli ioni di litio durante il suo ciclo di vita, al fine di fornire una valida base per lo studio dei problemi di sicurezza.

1 Materiale della cella della batteria

La composizione interna delle batterie agli ioni di litio è costituita principalmente da elettrodo positivo, elettrolita, separatore ed elettrodo negativo. Su questa base, le orecchie degli elettrodi vengono saldate e l'imballaggio esterno viene avvolto per formare una cella di batteria completa. Dopo le fasi iniziali di carica e scarica, formazione e separazione della capacità della cella della batteria, questa può essere utilizzata in fabbrica. La prima fase di questo processo è la selezione dei materiali. I principali fattori che influenzano la sicurezza dei materiali sono l'energia orbitale intrinseca, la struttura cristallina e le proprietà del materiale

1.1 Materiale per elettrodi positivi

Il ruolo principale dei materiali attivi dell'elettrodo positivo nelle batterie è quello di contribuire alla capacità specifica e all'energia specifica, e il loro potenziale elettrodico intrinseco ha un certo impatto sulla sicurezza. Negli ultimi anni, il litio ferro fosfato, un materiale a media e bassa tensione, è stato ampiamente utilizzato come elettrodo positivo per le batterie di potenza dei veicoli di trasporto (come i veicoli elettrici ibridi (HEVS) e i veicoli elettrici EVS) e dei dispositivi di accumulo dell'energia (come i gruppi di continuità (UPS) in tutto il mondo.

Tuttavia, il vantaggio in termini di sicurezza dimostrato dal litio-ferro-fosfato in molti materiali è in realtà al costo di sacrificare la densità di energia, il che limita la durata dei suoi utenti (come EVS, UPS). Sebbene i materiali ternari presentino un'eccellente densità energetica e siano ideali come elettrodi positivi per le batterie di potenza, i loro problemi di sicurezza non sono stati completamente affrontati.

Per studiare il comportamento termico dei materiali per elettrodi positivi, i ricercatori hanno lavorato molto e hanno scoperto che il potenziale intrinseco dell'elettrodo e la struttura cristallina sono i fattori principali che influenzano la loro sicurezza. Ad esempio, la perfetta corrispondenza tra il potenziale del materiale elettrodico positivo e l'orbitale molecolare più alto occupato dall'HOMO dell'elettrolita influisce direttamente sulla stabilità dell'elettrolita;

La temperatura iniziale e il rilascio di calore delle reazioni tra diversi materiali elettrodici positivi ed elettroliti possono variare a seconda che più ioni di litio possano passare simultaneamente attraverso il reticolo. Selezionando i tipi di materiali e il drogaggio degli elementi, scegliendo materiali che corrispondono alla finestra elettrochimica del potenziale e dell'elettrolita, che hanno temperature iniziali di reazione più elevate e un rilascio di calore di reazione più basso, è possibile migliorare le prestazioni di sicurezza della cella della batteria dal punto di vista dei materiali attivi dell'elettrodo positivo.

1.2 Materiali per elettrodi negativi

L'impatto dei materiali attivi dell'elettrodo negativo sulle prestazioni di sicurezza deriva principalmente dalla relazione tra la loro energia orbitale intrinseca e la configurazione dell'elettrolita. Durante il processo di carica rapida, la velocità degli ioni di litio che attraversano il film SEI può essere inferiore alla velocità di deposizione del litio sull'elettrodo negativo. I dendriti di litio continueranno a crescere durante i cicli di carica e scarica, causando cortocircuiti interni e incendiando gli elettroliti combustibili, con conseguente runaway termico. Questa caratteristica limita la sicurezza dell'elettrodo negativo durante il processo di carica rapida.

Oltre alla crescita di dendriti di litio, anche la reazione tra il materiale dell'elettrodo negativo e l'elettrolita è un fattore importante che influisce sulle prestazioni di sicurezza. A circa 100 ℃ si osservano picchi esotermici di grafite ed elettrolita incorporati nel litio, che sono considerati una reazione di decomposizione del film SEI. La velocità di reazione aumenta con l'aumento dell'area superficiale specifica del materiale dell'elettrodo negativo.

Dopo la decomposizione del film SEI, il litio incorporato nell'elettrodo negativo continuerà a reagire con l'elettrolita e il legante per rilasciare calore, e il calore di reazione aumenta con l'aumento della quantità di litio inserito. Migliorando la stabilità termica del SEI, riducendo l'area superficiale specifica dei materiali dell'elettrodo negativo e riducendo la quantità di litio incorporato, è possibile migliorare le prestazioni della cella della batteria anche dal punto di vista dei materiali dell'elettrodo negativo.

1.3 Elettroliti e membrane

L'impatto degli elettroliti e dei separatori sulla sicurezza è dovuto principalmente alle loro caratteristiche. Sebbene la stabilità termica dei sali di litio sia un fattore fondamentale che influisce sulla stabilità termica degli elettroliti, il loro impatto sulle prestazioni di sicurezza delle batterie è limitato a causa del calore di reazione di decomposizione relativamente ridotto. L'infiammabilità e lo stato liquido degli elettroliti commerciali ampiamente utilizzati sono fattori importanti per la sicurezza.

Inoltre, l'utilizzo di elettroliti con finestre elettrochimiche più ampie (in particolare con LUMO più alto) e l'aggiunta di materiali ignifughi all'elettrolita, come la modifica di liquidi ionici misti e di elettroliti liquidi organici in elettroliti non infiammabili, sono modi efficaci per migliorare la sicurezza. La resistenza meccanica (resistenza alla trazione e alla perforazione), la porosità, l'uniformità dello spessore e la temperatura di rottura del diaframma sono fattori importanti che ne determinano la sicurezza.

L'applicazione di rivestimenti ceramici nei diaframmi può aumentare la resistenza meccanica della membrana originale, consentendo al diaframma di esibire prestazioni eccellenti in termini di resistenza alle alte temperature, resistenza alla perforazione e riduzione dello spessore. La temperatura di chiusura della struttura microporosa, sia essa troppo alta o troppo bassa, può influire sulle prestazioni della cella della batteria. Pertanto, è necessario considerare in modo completo la composizione del polimero della membrana e la configurazione ottimale della struttura porosa, assicurandosi che la temperatura di rottura sia superiore alla temperatura di interruzione.