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Informazioni sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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Informazioni sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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3 L'impatto dei materiali

In generale, la stabilità termica dei materiali delle batterie è un fattore importante per la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Ciò è legato principalmente all'attività termica dei materiali della batteria. Quando la temperatura della batteria aumenta, al suo interno si verificano molte reazioni esotermiche. Se il calore generato supera la perdita di calore, si verifica un collasso termico. Le principali reazioni esotermiche tra i materiali delle batterie agli ioni di litio comprendono: la decomposizione del film SEI; la decomposizione dell'elettrolita; la decomposizione dell'elettrodo positivo; la reazione tra l'elettrodo negativo e l'elettrolita; la reazione tra l'elettrodo negativo e l'adesivo; Inoltre, a causa della presenza di resistenza nella batteria, durante l'uso si genera una piccola quantità di calore.

3.1 Materiale dell'elettrodo positivo

Il materiale dell'elettrodo positivo delle batterie agli ioni di litio è sempre stato il fattore limitante per lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio. Rispetto ai materiali per elettrodi negativi, i materiali per elettrodi positivi hanno una densità di energia e una densità di potenza inferiori e sono anche la causa principale dei rischi per la sicurezza nelle batterie agli ioni di litio. La struttura dei materiali elettrodici positivi e negativi ha un impatto decisivo sull'inserimento e la rimozione degli ioni di litio, influenzando così la durata dei cicli delle batterie. L'uso di materiali attivi facilmente rimovibili comporta cambiamenti strutturali minimi e reversibili durante i cicli di carica e scarica, a tutto vantaggio dell'estensione della durata delle batterie.

Nelle condizioni di abuso delle batterie agli ioni di litio, con l'aumento della temperatura interna della batteria, l'elettrodo positivo subisce la decomposizione della sostanza attiva e l'ossidazione dell'elettrolita. Queste due reazioni generano una grande quantità di calore, che porta a un ulteriore aumento della temperatura della batteria. Allo stesso tempo, i diversi stati di delitizzazione hanno effetti significativi sulla trasformazione reticolare del principio attivo, sulla temperatura di decomposizione e sulla stabilità termica della batteria. Trovare materiali per elettrodi positivi con una buona stabilità termica è la chiave per le batterie agli ioni di litio.

3.2 Materiali per elettrodi negativi

Il primo materiale per elettrodi negativi utilizzato era il litio metallico e le batterie assemblate con litio metallico come elettrodo negativo sono soggette a dendriti di litio durante i molteplici processi di carica e scarica. I dendriti di litio possono perforare il separatore, causando cortocircuiti, perdite e persino esplosioni. L'uso di composti di intercalazione del litio evita la generazione di dendriti di litio, migliorando notevolmente la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.

Recentemente, tre tipi di carbonio hanno un valore significativo e prospettive di applicazione nelle batterie secondarie agli ioni di litio: il carbonio altamente grafitizzato, il carbonio morbido e duro e i nanomateriali di carbonio. Attualmente, la maggior parte dei materiali per elettrodi negativi utilizzati nelle batterie agli ioni di litio utilizza la grafite, la cui capacità specifica teorica appropriata è di soli 372 mAh/g e la capacità specifica di volume è di soli 800 mAh/cm3. Sebbene il carbone da pirolisi medica attualmente sviluppato abbia una capacità specifica di 700 mAh/g, la sua capacità specifica di volume è ancora molto limitata.

A causa della necessità di avere un'alta potenza e un'alta densità energetica, i metalli e i composti metallici hanno attirato l'attenzione e la ricerca si concentra principalmente sullo sviluppo di particelle di piccole dimensioni (su scala nanometrica), da monofase a multifase e materiali inattivi drogati. Gli elettrodi negativi in metallo e in lega subiscono notevoli variazioni di volume durante il ciclo, con conseguente breve durata del ciclo. Per prolungare la durata, si ricorre a metodi approssimativi di metallurgia per sviluppare e controllare la composizione e la microstruttura dei materiali in lega. Recenti ricerche sulla scala nanometrica e sulle tecniche di trattamento superficiale hanno dimostrato che, con l'aumento della temperatura, gli elettrodi negativi di carbonio incorporati nel litio subiscono prima reazioni esotermiche con l'elettrolita.

A parità di condizioni di carica e scarica, il tasso esotermico della reazione tra l'elettrolita e la grafite artificiale incorporata nel litio è molto più alto di quello del MCMB incorporato nel litio, della fibra di carbonio, del coke, ecc. La distanza tra gli strati di carbonio dei materiali di carbonio duro e dei materiali di grafite morbida è di circa 0,38 nm, 0,34-0,35 nm e 0,335 m, rispettivamente. Quando il litio è incorporato nello strato di carbonio, la distanza tra gli strati è di circa 0,37 nm. I materiali di grafite presentano la minore spaziatura tra gli strati e la maggiore deformazione durante il processo di inserimento ed estrazione delle batterie agli ioni di litio. Anche la velocità di diffusione degli ioni di litio in questo tipo di strato di carbonio è lenta. In caso di carica e scarica ad alta corrente, la polarizzazione è ampia e la resistenza è elevata, con conseguente scarsa sicurezza della batteria. I materiali in carbonio duro, invece, hanno l'effetto opposto.

Tuttavia, alcuni ritengono che l'aumento del grado di grafitizzazione possa ridurre le prestazioni di attivazione della diffusione degli ioni di litio, favorendo la diffusione degli ioni di litio. Tuttavia, i materiali in carbonio duro, a causa della presenza di un gran numero di vuoti, hanno prestazioni simili a quelle degli elettrodi negativi di litio metallici durante le fasi di carica e scarica ad alta corrente, e la loro sicurezza non è buona. Nell'esplorazione di nuovi materiali, i nitruri di metalli di transizione litizzati e i fosfati di metalli di transizione sono buoni esempi. Ulteriori ricerche su questi materiali potrebbero dare nuova linfa allo sviluppo di elettrodi negativi per le batterie agli ioni di litio.

3.3 Diaframma ed elettrolita

Il diaframma è di per sé un buon conduttore di elettroni, ma permette anche il passaggio degli ioni dell'elettrolita. Inoltre, il materiale del separatore deve avere buone proprietà chimiche, di stabilità elettrochimica e meccaniche, nonché mantenere un'elevata bagnabilità dell'elettrolita durante i ripetuti processi di carica e scarica. La compatibilità dell'interfaccia tra il materiale del separatore e l'elettrodo, così come la ritenzione dell'elettrolita da parte del separatore, hanno un impatto significativo sulle prestazioni di carica e scarica, sulle prestazioni dei cicli e su altri aspetti delle batterie agli ioni di litio.

L'elettrolita svolge un ruolo nel trasporto di Li+ tra gli elettrodi positivi e negativi delle batterie agli ioni di litio e la compatibilità tra l'elettrolita e l'elettrodo influisce direttamente sulle prestazioni della batteria. La ricerca e lo sviluppo dell'elettrolita sono molto importanti per le prestazioni e lo sviluppo delle batterie secondarie agli ioni di litio.

Dal punto di vista della sicurezza delle batterie, è necessario che gli elettroliti organici abbiano una buona stabilità termica e che rimangano stabili in condizioni di alta temperatura generate dal riscaldamento della batteria, in modo che l'intera batteria non vada incontro a un runaway termico. L'impatto degli elettroliti organici sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio è stato studiato principalmente sotto tre aspetti: solventi, sali di litio dell'elettrolita e additivi. La soluzione fondamentale ai problemi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio dovrebbe essere rappresentata dagli elettroliti liquidi ionici.

4 Processo di produzione e sicurezza delle batterie

Il processo di produzione delle batterie agli ioni di litio può essere suddiviso in processi di produzione di batterie agli ioni di litio liquide e polimeriche. Indipendentemente dalla struttura della batteria agli ioni di litio, la produzione degli elettrodi, l'assemblaggio della batteria e altri processi produttivi avranno un impatto sulla sicurezza della batteria. Il controllo della qualità dei vari processi, come la miscelazione degli elettrodi positivi e negativi, il rivestimento, la laminazione, il taglio o la punzonatura, l'assemblaggio, la sigillatura dell'elettrolita e la formazione, influiscono sulle prestazioni e sulla sicurezza della batteria.

L'uniformità dell'impasto determina l'uniformità della distribuzione delle sostanze attive sull'elettrodo, influenzando così la sicurezza della batteria. Se la finezza dello slurry è eccessiva, possono verificarsi variazioni significative nell'espansione e nella contrazione del materiale dell'elettrodo negativo durante la carica e la scarica della batteria, con conseguente precipitazione del litio metallico; una finezza troppo piccola dello slurry può portare a un'eccessiva resistenza interna della batteria.

Una bassa temperatura di riscaldamento del rivestimento o un tempo di asciugatura insufficiente possono causare una resistenza interna eccessiva nella batteria. Se il tempo di riscaldamento del rivestimento è troppo basso o il tempo di asciugatura è insufficiente, si formano residui di solvente e una parziale dissoluzione del legante, con conseguente facile distacco di alcune sostanze attive; una temperatura eccessiva può causare la carbonizzazione del legante, il distacco delle sostanze attive e la formazione di cortocircuiti all'interno della batteria

5 Uso sicuro delle batterie

La sicurezza delle batterie agli ioni di litio ha ricevuto molta attenzione ed è strettamente legata alle applicazioni previste. Per le batterie agli ioni di litio, indipendentemente dalla capacità individuale, è inevitabile l'utilizzo di una combinazione di batterie. Se non è possibile ottenere un controllo preciso dell'equilibrio, è equivalente all'abuso di una singola cella.

Il numero di cicli della batteria e il sistema di carica e scarica hanno un impatto significativo sulla sicurezza delle batterie. Durante l'uso, è consigliabile ridurre al minimo il sovraccarico o lo scarico delle singole celle, soprattutto per le batterie ad alta capacità. I disturbi termici possono provocare una serie di reazioni collaterali esotermiche, con conseguenti problemi di sicurezza.

Le batterie agli ioni di litio hanno anche una pessima caratteristica di "invecchiamento". Dopo essere state immagazzinate per un certo periodo di tempo, anche se non vengono riciclate, una parte della loro capacità viene persa in modo permanente. Il motivo è che gli elettrodi positivi e negativi della batteria hanno già iniziato il loro processo di esaurimento fin dall'uscita dalla fabbrica. Il tasso di invecchiamento varia a seconda delle temperature e dei livelli della batteria. Quanto più alta è la temperatura di stoccaggio e quanto maggiore è la carica, tanto più rapida sarà la perdita di capacità della batteria. Pertanto, non è consigliabile conservare le batterie agli ioni di litio in uno stato di saturazione per lungo tempo. Per lo stoccaggio delle batterie, cercare di conservarle a basse temperature.

6 Sintesi

Negli ultimi anni le batterie agli ioni di litio hanno fatto notevoli progressi e le batterie di potenza agli ioni di litio sono emerse sul mercato. Attualmente sono ancora in fase di sviluppo e vengono migliorate per essere adatte a cicli di carica-scarica ad alta velocità, a condizioni di temperatura elevate e basse, ad ambienti difficili e a bassa manutenzione in ambienti industriali. Con la ricerca approfondita sui temi della sicurezza, come i sistemi di batterie e i materiali delle batterie, è necessario collaborare dal punto di vista della progettazione, della produzione e dell'utilizzo per risolvere il problema della sicurezza delle batterie agli ioni di litio, evitare i fattori di rischio e promuovere un sano sviluppo delle batterie agli ioni di litio.