Korkean nikkelilitiumparistojen turvallisuudesta on tullut yksimielisyys, mutta solid-state-litiumparistot ovat nyt jakautuneet
Energiatiheyttä kunnioittavat sähköautomarkkinat ovat tuoneet valtavia haasteita akkupakkausten ja kokonaisten ajoneuvojen turvallisuudelle. Vuonna 2018 Kiinassa tapahtui 52 turvallisuusonnettomuutta miljoonaa sähköajoneuvoa kohden. Kohtausten osalta lataus, ajaminen ja pysäköinti ovat kaikki kohtauksia, joissa tapahtuu turvallisuusonnettomuuksia.
Jos syitä analysoidaan, 58 % palo-onnettomuuksista johtuu litiumakkujen lämpökarkaamisesta. Lähes 90 % lämpöpoikkeamisesta johtuu oikosulkuista. Kennotasolla positiiviset ja negatiiviset materiaalit, elektrolyytti ja kalvo ovat suora sulake lämpökarkaamiseen. Ryhmittelyn jälkeen lämmön diffuusion vaimentaminen rakennesuunnittelussa, jäähdytyksessä ja sähköohjauksessa liittyy siihen, voidaanko lämmön karkaamisen riskiä vähentää tai tukahduttaa.
16.-17.10.2019 2019 Kiina-Japani-Korea Next Generation New Energy Vehicle Battery Technology -konferenssi pidettiin Shanghaissa. Konferenssi on jaettu kahteen foorumiin, joiden aiheina ovat akkujen lämpöturvallisuus ja -ratkaisut sekä solid-state-akkujen avainteknologia ja teollistumisen haasteet.
Forum 1, OEM-valmistajat, tehoakkuyhtiöt, tunnetut yliopistot, laboratoriot ja testauslaitokset keskustelevat syistä ja ratkaisuista runsaan nikkelipitoisten akkujen termiseen karkaamiseen, kun tehoakkujen ominaisenergiataso jatkaa nousuaan. Forum 2 käsittelee erilaisten solid-state-akkuteknologian reittien ja status quon analysointia.
Järjestelmä lämpöturvallisuuden näkemiseksi
Tehoakun koko elinkaari alkaa materiaalijärjestelmän valinnasta akkukennon valmistumiseen, moduulien ja PACKien muovaukseen, akun hallintaan asennuksen ja levityksen jälkeiseen käyttöön ajoneuvokäytössä.
Lämpökarannuksen perimmäinen syy on akkukenno. Positiiviset ja negatiiviset elektrodit ovat"sulake" ja elektrolyytti on"polttoaineen varastointi". Se tarvitsee vain"spark" aiheuttaa lämpökarkaamisen tai tulipalon.
& quot;Sparks" joko tulevat solun sisältä tai ulkopuolelta. Sisäiset tekijät viittaavat pääasiassa akun suunnittelun ja valmistuksen aikana syntyviin epävakaisiin tekijöihin; ulkoiset tekijät viittaavat pääasiassa henkilökunnan ja ulkoisten olosuhteiden aiheuttamiin syihin akun kuljetuksen, asennuksen sekä käytön ja huollon aikana.
Akun lämpöturvahäiriö johtuu pääasiassa paikallisesta ylikuumenemisesta, joka aiheuttaa oikosulun akun sisällä tai mikrooikosulku aiheuttaa akun kalvovaurion ja laajemman alueen oikosulun.
Litiumioniakut on päivitetty NCM111:stä ja NCM523:sta NCM622:ksi ja NCM811:ksi. Positiivisen elektrodin kolmiosaisen materiaalin nikkelipitoisuus kasvaa edelleen, hapen vapautumislämpötila laskee edelleen ja positiivisen elektrodimateriaalin lämpöstabiilisuus huononee ja huononee. Hapen vapautumislämpötilan lasku tarkoittaa, että litiumakku on lämmönkestävämpi. Lämpötilan noustessa positiivinen elektrodimateriaali muuttuu kerrosrakenteesta spinellirakenteeksi ja muodostaa sitten kivisuolaa ja vapauttaa aktiivista happea. Vuorisuolan kasvu ja hapen vapautuminen ovat lämpökarkaamisen aiheuttamia perusongelmia.
Sähkökemiallinen väärinkäyttö on akkukennotehtaiden päänsärkyongelma. Väärinkäyttöolosuhteissa, kuten lämpöshokki, ylilataus ja ylipurkaus, akun sisällä oleva aktiivinen materiaali ja elektrolyytti tuottaa litiumdendriittejä, jotka lävistävät kalvon ja aiheuttavat sisäisen oikosulun. Litiumin kehittyminen negatiivisessa elektrodissa on tärkein syy litiumdendriittien kasvuun. Siksi litiumdendriitin ehkäisy on tärkeä kysymys.
Positiivisten ja negatiivisten elektrodien oikosulku, joka johtuu kalvon viasta, on tärkeä osa lämpökarkaamista. Kun SEI-kalvon suojakalvo tuhoutuu, elektrolyytti reagoi elektrodin kanssa muodostaen lämpöä, joka sulattaa kalvon. Lisäksi palleaa päin oleva vihollinen on litiumdendriitit, jotka uhkaavat sen eheyttä ja vakautta.
Sisäisen oikosulun, ylilatauksen, akun ikääntymisen jne. aiheuttaman akun vian lisäksi mekaaniset viat äärimmäisissä olosuhteissa, kuten ulkoinen oikosulku, suulakepuristus, tulipalo, upottaminen ja simuloitu törmäys, muuttuvat myös sisäiseksi oikosulkuksi ja aiheuttavat sähköä. vika, joka johtaa lopulta lämpökarkaamiseen.
Jotkut viat ja suorituskyvyn heikkeneminen, joita saattaa ilmetä akun' koko elinkaaren aikana, aiheuttavat akkujen käytön turvallisen käyttöalueen ulkopuolella ja aiheuttavat joitakin turvallisuusonnettomuuksia.
Akkutehdas ja OEM toimivat yhdessä
Lämmön karkaamisen sisäiset ja ulkoiset syyt edellyttävät akkuvalmistajien ja OEM-valmistajien yhteistyötä kokonaisratkaisun tarjoamiseksi, joka sisältää positiiviset ja negatiiviset materiaalit, erottimet, elektrolyytit, akun hallinnan ja PACK-rakenteen suunnittelun.
Akkutehtaille etsi korkean paineen ja korkean lämpötilan palonkestäviä elektrolyyttejä, korkeita lämpötiloja kestäviä yksikiteisiä katodimateriaaleja, anodimateriaaleja, jotka estävät litiumdendriittejä, tai käytä NMC811-katodeja, jotka on päällystetty suojaaineilla kuivuuden parantamiseksi. Ranskalaisen kalvon käyttö tuo keraamisen kalvon estämään lämmön karkaamista solutasolla.
OEM-valmistajille itse akun turvallisuuteen kiinnittäminen ei riitä. Itse akun ongelmien lisäksi sähköajoneuvon turvallisuuden ydin ovat akun sähköliitäntä, mekaaninen turvallisuus, latausliitäntä, päivittäisen käytön ongelmat ja ongelmien nopea käsittely.
OEM':n tehoakun turvallisuussuojajärjestelmä on suunniteltu ja tarkastettu neljästä näkökulmasta: monomeeri, moduuli, BMS ja järjestelmä. Toisaalta akkuvalmistajat itse varmistavat suunnittelu- ja valmistuslinkkien turvallisuuden. Toisaalta OEM-valmistajat harkitsevat mekaanista, sähköistä ja lämpöturvallisuutta moduulien turvallisuuden näkökulmasta, kuten turvaetäisyyden, voiman suunnittelun ja suojauksen näkökulmasta.
Kokoonpanorakenteen osalta OEM-valmistajien on otettava huomioon ajoneuvon erilaiset käyttöolosuhteet, samoin kuin jäähdytysputket, uudet jäähdytysteknologiat, varhainen varoitus lämmön karkaamisesta ja leviämisen estäminen. Samalla tulee miettiä aktiivista palonsammutustoimintaa ja palon sammuttamista ulkoisten rakenteiden kautta.
OEM-valmistajat ajattelevat yleensä, kuinka parantaa akun turvallisuuden suunnittelua järjestelmätasolta. OEM-analyysin kohteena ovat sitten positiiviset ja negatiiviset elektrodimateriaalit, elektrolyytit, kalvot, rakennesuunnittelu, jäähdytys, lämmönhallinta ja PACK-ryhmän varotoimet.
Litiumparistojen turvallisuus on iso aihe, joka koskee kaikkea materiaaleista tuotannosta sovelluksiin. Sähköajoneuvojen lämpöturvallisuuden varmistaminen edellyttää OEM-valmistajien, akkutehtaiden ja testauslaitosten yhteistyötä lämpökarkaamisen mekanismin analysoimiseksi ja uusien teknologioiden tutkimiseksi, jotka viivästävät lämpökarkaamisen esiintymistä.
Solid-state-akkujen erilaiset äänet
Sähköajoneuvojen liike eteenpäin osoittaa, että tehoakkujen energiastandardi ei mene taaksepäin. Suuripotentiaalisten positiivisten ja negatiivisten materiaalien käyttö on tullut trendiksi, ja NCM811 ja piihiilianodit tulevat yhä enemmän esiin akkutehtaiden teknisillä reiteillä. Mutta tulipalon vaara uhkaa edelleen korkean nikkelipitoisten akkujen käyttöä. Siksi akkujen valmistajat ja OEM-valmistajat ovat kiinnittäneet huomionsa paloa hidastaviin, korkean paineen kestäviin solid-state-elektrolyytteihin toivoen voivansa ratkaista tietyn energian ja turvallisuuden välisen tasapainon ongelman.
Tässä Kiina-Japani-Korea-konferenssissa kiinalaisten ja japanilaisten vieraiden näkemykset solid-state-akkujen tutkimuksesta ja soveltamisesta ovat kuitenkin hyvin erilaisia, mikä haastaa alan' luontaiset näkemykset solid-state-akuista. . Suhteessa korkean nikkelin turvaratkaisun toimipisteen yhteisiin ponnisteluihin solid-state-akkualue etenee eroissa.
Japanin 30-vuotias solid-state-akkuasiantuntija tohtori Tadahiko Kubota, Japanin entinen Toyotan ja Hondan akkuydinasiantuntija Ogi Eiki, kommentoi solid-state-akkujen tutkimuksen nykytilaa"pessimistinen" ;. Puolijohdeakkuja on melko vaikeaa käyttää sähköajoneuvoissa. Toisaalta kotimaiset akkutehtaat, kuten Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Kiinan tiedeakatemia, Tongjin yliopisto ja Shanghai Jiaotong University työskentelevät väsymättä solid-state-akkujen parissa.
Japanilaisten asiantuntijoiden mielipiteet voidaan tiivistää seuraavasti: Toyota Sulfide on edelleen tutkimus- ja kehitysvaiheessa, ja massatuotanto on mahdotonta nykyisellä teknologiatasolla. Sen alkuperäinen tarkoitus kehittää solid-state-akkuja oli vähentää hybridiajoneuvojen akkuja. Ulkomaailma uskoo virheellisesti, että sähköajoneuvoissa käytetään solid-state-akkuja. Tämä on ero Toyotan' sisäisen ajattelun ja ulkoisen yleisen mielipiteen välillä.
Turvallisuuden kannalta solid-state-akut voivat tuottaa myös litiumdendriittejä, ja turvallisuus on erittäin huolestuttavaa. Ja sen turvallisuutta ei voida arvioida sen perusteella, onko elektrolyytti syttyvää. Tärkein ongelma on suora kosketus positiivisen elektrodin ja negatiivisen elektrodin välillä, jolla on suuri energiatiheys.
Täysin solid-state-akut voivat lisätä energiatiheyttä, yksi syy on se, että ulkoisia materiaaleja voidaan vähentää. Mutta tämä ei ole vain solid-state-akkujen ominaisuus.
Mitä tulee pikalataukseen, Toyota':n paperi ja useimmat tutkijat eivät ole vahvistaneet todisteita siitä, että kaikki solid-state-akut voidaan ladata nopeasti. He kaikki sanoivat, että litiumdendriittejä muodostuu latauksen aikana. Mitä useammat ihmiset ymmärtävät täysin solid-state-akkuja, sitä enemmän he kieltävät, että ne voidaan ladata nopeasti.
Suurin osa Toyotan' patenteista viimeisen vuosikymmenen aikana liittyy impedanssiin. Se on tutkinut tätä ongelmaa kymmenen vuotta sitten, ja se on edelleen suuri ongelma.
Näkymiä kotimaisista akkutehtaista: Todellisten tulipalojen leviäminen liittyy suoraan orgaanisiin nestemäisiin elektrolyytteihin. Kiinteät elektrolyytit polymeereistä keraamisiin elektrolyytteihin voivat parantaa akun turvallisuutta eriasteisesti. Turvallisuuden ja energiatiheyden suhteen puolijohdeakkuja on parannettu perinteisiin perinteisiin litiumioniakkuihin verrattuna. Lähtökohtana on, että meillä on oltava hyvä tekniikka rajapinnan ongelman ratkaisemiseksi ja varmistaa, että kiinteä elektrolyytti voi mukautua akun suunnitteluun ja täyttää korkean energiasuhteen akun vaatimukset.
Uskomme, että solid-state-akuilla on etuja joissakin asioissa. Kun kalvo ja elektrolyytti korvataan kiinteillä aineilla, sen turvallisuus paranee. Kun koko järjestelmän turvakynnystä nostetaan, tämä järjestelmä voi käyttää suuripotentiaalisia positiivisia ja negatiivisia materiaaleja, kuten litiummetallin negatiivisia elektrodeja, ja sen energiatiheys on korkeampi tulevaisuudessa.
Nykyinen ajattelutapa on olla mahdollisimman yhteensopiva nykyisten litiumakkulaitteiden ja litiumakkuteknologian kanssa ja vähentää kustannuksia mahdollisimman paljon. Koska solid-state-akuilla on korkea energiatiheys ja korkea turvallisuus, niitä voidaan käyttää ensin joissakin erityistilanteissa.
Solid-state-akkujen energiatiheyden etu ei ole suhteellisen ilmeinen kennotasolla, ja se on näkyvämpi PACK-tasolla. Vuoteen 2021 mennessä solid-state-akut käyttävät aktiivisia materiaaleja, joiden käyttöaste on korkeampi, ja energiatiheys kennotasolla on sama kuin nestemäisten akkujen ja vähitellen ylittää sen.
Vaikka kotimaiset ja ulkomaiset asiantuntijat kiistelevät solid-state-akkujen energiatiheydestä ja turvallisuudesta, he periaatteessa uskovat, että solid-state-akkujen kaupallinen soveltaminen on pitkä prosessi joidenkin nestemäisten akkujen puutteiden ratkaisemiseksi. Siksi puolijohdeakut voidaan tuoda ensin moottoripyörien ja kulutuselektroniikan aloilta ja sitten siirtyä sähköajoneuvojen kentälle, kun turvallisuuden, suorituskyvyn ja kustannusten kolme ulottuvuutta ovat kypsiä.
