Informazioni sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

Informazioni sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

Le batterie agli ioni di litio sono le batterie ad alte prestazioni più recenti e più rapidamente commercializzate. Le batterie agli ioni di litio sono attualmente ampiamente utilizzate come nuove fonti di energia in vari settori grazie ai loro vantaggi unici. Le batterie agli ioni di litio hanno le caratteristiche di alta tensione, alta energia specifica e buone prestazioni di ciclaggio e sono sempre più utilizzate nel mercato dei 3 C, dei veicoli elettrici (EV) e dei veicoli elettrici ibridi (HEV), nelle applicazioni automobilistiche e nella tecnologia spaziale. Sebbene la sicurezza delle batterie secondarie agli ioni di litio sia stata notevolmente migliorata rispetto alle batterie secondarie al litio metallico, esistono ancora molti pericoli nascosti, come l'elevata energia specifica delle batterie e gli elettroliti infiammabili per lo più organici. Quando il tasso di generazione di calore delle batterie supera il tasso di dissipazione del calore, possono verificarsi problemi di sicurezza.

Secondo le ricerche, le batterie agli ioni di litio possono generare temperature elevate (>700 ℃) che fondono il collettore di alluminio in condizioni di utilizzo improprio, causando fumo, accensione, esplosione e persino lesioni personali nella batteria. Pertanto, per lo sviluppo e la produzione di batterie agli ioni di litio, la sicurezza delle batterie non si riferisce solo all'assenza di fumo, incendio, esplosione e altri fenomeni in varie condizioni di test, ma anche alla necessità di garantire che il personale non subisca danni in condizioni di abuso della batteria. Questo articolo esamina i vari fattori che influenzano la sicurezza delle batterie agli ioni di litio dal punto di vista della progettazione, dei materiali, della produzione e delle condizioni di utilizzo e propone misure specifiche per risolvere i problemi di sicurezza.

1 L'impatto della progettazione delle batterie sulla sicurezza

La sicurezza delle batterie agli ioni di litio è determinata dalle loro stesse caratteristiche:

(1) La densità di energia della batteria è molto elevata e, in caso di reazione di fuga termica, il rilascio di un'elevata quantità di calore può facilmente portare a un comportamento non sicuro

(2) Le batterie agli ioni di litio, a causa dell'uso di sistemi elettrolitici organici e dei solventi organici che sono idrocarburi, sono soggette a ossidazione a circa 4,6 V e i solventi sono infiammabili. Se si verificano perdite, la batteria può prendere fuoco, persino bruciare ed esplodere

(3) La reazione di sovraccarico delle batterie agli ioni di litio può causare un cambiamento nella struttura del materiale dell'elettrodo positivo, con conseguente forte ossidazione del materiale e forte ossidazione del solvente nell'elettrolita. Questo effetto è irreversibile e, se il calore generato dalla reazione si accumula, c'è il rischio di fuga termica.

1.1 Principio di tempestività

Le batterie agli ioni di litio hanno una grande capacità e il rischio aumenta esponenzialmente con l'aumento della capacità. Pertanto, è necessario considerare la compatibilità delle sostanze attive nella fase successiva di progettazione della batteria. Con l'avanzare del ciclo, la capacità della batteria diminuisce gradualmente e la resistenza interna aumenta, con conseguenti cambiamenti strutturali significativi nell'elettrodo positivo rispetto all'elettrodo negativo; allo stesso tempo, il film SEI sulla superficie dell'elettrodo negativo si ispessisce e, alla fine del ciclo, si depositano litio e composti di litio. Questi cambiamenti causano il deterioramento delle prestazioni convenzionali della batteria e il cambiamento dell'aspetto con il passare dei cicli.

Con l'avanzare del ciclo, l'estrazione e l'inserimento del litio causano una variazione di volume nelle particelle, con conseguente stress reticolare e peggioramento della sicurezza. Spesso le batterie nuove superano i test di sicurezza, ma non è detto che le batterie nelle fasi intermedie e successive di utilizzo superino nuovamente i test di sicurezza, perché le sostanze attive, come gli elettrodi positivi e negativi, non coincidono durante l'uso e il litio metallico precipita nelle fasi successive di utilizzo. Il litio metallico è eccezionalmente attivo e reagisce facilmente con molte sostanze inorganiche e organiche. Pertanto, durante i cicli elettrochimici, la superficie irregolare del litio può facilmente provocare una deposizione non uniforme di litio metallico, la formazione di dendriti di litio e causare problemi di sicurezza. Per ottenere batterie agli ioni di litio affidabili e sicure, la progettazione deve tenere conto della tempestività, in particolare della sicurezza della batteria nelle fasi successive di utilizzo

1.2 Principio di affidabilità

L'ambiente di utilizzo delle batterie varia notevolmente e le diverse batterie hanno requisiti di utilizzo diversi. Anche lo stesso ambiente di utilizzo delle batterie può essere molto diverso. L'aspetto più importante è come garantire la sicurezza delle batterie in condizioni di uso improprio o di abuso. La resistenza al calore e la resistenza agli abusi delle batterie agli ioni di litio si deteriorano in caso di cicli prolungati. Per evitare l'eccessivo calore generato da reazioni fisiche o chimiche delle sostanze costituenti a causa di specifici apporti di energia nella batteria durante l'abuso, è necessario adottare una progettazione mirata per batterie con strutture diverse.

Per le batterie cilindriche, il PTC viene spesso utilizzato come componente di protezione da sovracorrente. Grazie alla presenza di un dispositivo di limitazione della corrente (PTC) posto tra il terminale positivo e la bobina dell'elettrodo all'interno della batteria, quando l'elettrolita si decompone e la temperatura della batteria aumenta rapidamente durante la sovraccarica, il dispositivo entra in funzione e interrompe la corrente.

Per le batterie a guscio quadrato in alluminio, non esiste un dispositivo di limitazione della corrente all'interno e, a causa della morbidezza e della facile deformazione dell'alluminio, la sicurezza può essere garantita solo da dispositivi esterni alla batteria; la batteria agli ioni di litio realizzata con film di imballaggio in alluminio-plastica, anche se non esiste un dispositivo di limitazione della corrente all'interno della batteria, l'accurata progettazione combinata con dispositivi di sicurezza esterni rende la batteria più sicura, soprattutto per l'uso dei telefoni cellulari. Questa struttura è stata ampiamente adottata dai produttori di batterie ai polimeri.

Per le batterie agli ioni di litio con struttura cilindrica e quadrata in acciaio, la struttura della valvola di sfiato superiore con design di sicurezza attiva il meccanismo di sicurezza quando si genera una grande quantità di gas all'interno della batteria. Oltre a questa funzione, può anche ridurre la temperatura della batteria per eliminare la fuga termica. Per le batterie con film di imballaggio in alluminio-plastica, a causa del film di alluminio-plastica morbido sull'imballaggio esterno, non c'è alcun dispositivo di protezione all'interno della batteria, quindi i requisiti di progettazione della batteria sono rigorosi. Tuttavia, rispetto alle batterie a guscio cilindrico in acciaio, in caso di uso improprio e abuso, con conseguente aumento graduale del gas generato dalle reazioni chimiche, il film di imballaggio si rigonfia o la posizione di saldatura del film di alluminio si rigonfia e rilascia pressione, garantendo così la sicurezza della batteria.