Hoge veiligheid van nikkel-lithiumbatterijen is een consensus geworden, maar solid-state lithiumbatterijen zijn nu verdeeld
Een markt voor elektrische voertuigen die de energiedichtheid respecteert, heeft enorme uitdagingen met zich meegebracht voor de veiligheid van batterijpakketten en complete voertuigen. In 2018 waren er 52 veiligheidsongevallen per miljoen elektrische voertuigen in China. In termen van scènes zijn opladen, rijden en parkeren allemaal scènes waar veiligheidsongevallen plaatsvinden.
Als de redenen worden geanalyseerd, wordt 58% van de brandongevallen veroorzaakt door thermische runaway van lithiumbatterijen. Bijna 90% van de thermische wegloop wordt veroorzaakt door kortsluiting. Op celniveau zijn de positieve en negatieve materialen, elektrolyt en diafragma de directe zekering voor thermische wegloop. Na het groeperen hangt het onderdrukken van thermische diffusie in constructief ontwerp, koeling en elektrische besturing samen met de vraag of het risico op thermische wegloop kan worden verminderd of onderdrukt.
Van 16 tot 17 oktober 2019 werd de 2019 China-Japan-Korea Next Generation New Energy Vehicle Battery Technology Conference gehouden in Shanghai. De conferentie is opgedeeld in twee fora, de onderwerpen zijn thermische veiligheid en oplossingen van batterijen en solid-state batterijtechnologie en uitdagingen op het gebied van industrialisatie.
Forum 1, OEM's, energiebatterijbedrijven, bekende universiteiten, laboratoria en testinstituten zullen de oorzaken en oplossingen bespreken voor thermische runaway van hoog-nikkelbatterijen, aangezien het specifieke energieniveau van stroombatterijen blijft toenemen. Forum 2 gaat over de analyse van verschillende routes op het gebied van solid-state batterijtechnologie en de status quo.
Systeem om thermische veiligheid te zien
De volledige levenscyclus van een power-accu begint bij de selectie van het materiaalsysteem, tot de voltooiing van de batterijcel, het gieten van modules en PACK's, het batterijbeheer na installatie en toepassing, tot het gebruik in het voertuig.
De hoofdoorzaak van thermische runaway is de batterijcel. De positieve en negatieve elektroden zijn de"zekering" en de elektrolyt is de"brandstofopslag". Het heeft alleen een" nodig;vonk" thermische runaway of brand veroorzaken.
& quot;Vonken" ofwel van binnenuit de cel komen of van buitenaf komen. Interne factoren verwijzen voornamelijk naar onstabiele factoren die worden gegenereerd tijdens het ontwerp en de fabricage van de batterij; externe factoren verwijzen voornamelijk naar redenen die worden veroorzaakt door personeel en externe omstandigheden tijdens het transport, de installatie en de bediening en het onderhoud van de batterij.
De thermische veiligheidsstoring van de batterij wordt voornamelijk veroorzaakt door plaatselijke oververhitting, wat een kortsluiting in de batterij veroorzaakt, of een microkortsluiting veroorzaakt schade aan het batterijmembraan en een groter gebied kortsluiting.
Lithium-ionbatterijen zijn geüpgraded van NCM111 en NCM523 naar NCM622 en NCM811. Het nikkelgehalte van het ternaire materiaal van de positieve elektrode blijft toenemen, de temperatuur van het vrijkomen van zuurstof blijft dalen en de thermische stabiliteit van het materiaal van de positieve elektrode wordt steeds slechter. De verlaging van de zuurstofafgiftetemperatuur betekent dat de lithiumbatterij hittebestendiger is. Naarmate de temperatuur stijgt, verandert het positieve elektrodemateriaal van een gelaagde structuur in een spinelstructuur en vormt dan steenzout en geeft actieve zuurstof af. De groei van steenzout en het vrijkomen van zuurstof zijn de fundamentele problemen die worden veroorzaakt door thermische runaway.
Elektrochemisch misbruik is het grootste probleem voor batterijcelfabrieken. Onder omstandigheden van misbruik, zoals thermische schokken, overbelasting en overontlading, zullen het actieve materiaal en de elektrolyt in de batterij lithiumdendrieten produceren, die het diafragma doorboren en een interne kortsluiting veroorzaken. Lithium-evolutie in de negatieve elektrode is een belangrijke oorzaak van de groei van lithiumdendrieten. Daarom is het voorkomen van lithiumdendrieten een belangrijke kwestie.
De kortsluiting van de positieve en negatieve elektroden, veroorzaakt door het falen van het diafragma, is een belangrijk onderdeel van thermische wegloop. Wanneer de veiligheidsfilm van de SEI-film wordt vernietigd, reageert de elektrolyt met de elektrode om warmte te genereren, waardoor het diafragma zal smelten. Bovendien zijn lithiumdendrieten de vijand die tegenover het middenrif staat, wat de integriteit en stabiliteit ervan bedreigt.
Naast batterijstoring veroorzaakt door interne kortsluiting, overbelasting, veroudering van de batterij, enz., zal mechanische storing onder extreme omstandigheden zoals externe kortsluiting, extrusie, brand, onderdompeling en gesimuleerde botsing ook worden omgezet in interne kortsluiting en elektrische falen, wat uiteindelijk zal leiden tot thermische runaway.
Sommige storingen en prestatieverminderingen die kunnen optreden tijdens de volledige levenscyclus van de batterij', zullen ertoe leiden dat de batterijen worden gebruikt buiten het veilige gebruiksbereik en enkele veiligheidsongevallen veroorzaken.
Batterijfabriek en OEM werken samen
De interne en externe oorzaken van thermische runaway vereisen de medewerking van batterijfabrikanten en OEM's om een algemene oplossing te bieden, inclusief positieve en negatieve materialen, separatoren, elektrolyt, batterijbeheer en PACK-structuurontwerp.
Zoek voor batterijfabrieken naar hogedruk- en hittebestendige vlamvertragende elektrolyten, hittebestendige monokristallijne kathodematerialen, anodematerialen die lithiumdendrieten remmen of gebruik NMC811-kathoden die zijn gecoat met safeners om de droogheid te verbeteren. De toepassing van het Franse diafragma introduceert een keramisch diafragma om thermische runaway op celniveau te onderdrukken.
Voor OEM's is aandacht voor de veiligheid van de batterij zelf lang niet genoeg. Naast de problemen van de accu zelf, vormen de elektrische aansluiting van de accu, de mechanische veiligheid, de laadaansluiting, de dagelijkse gebruiksproblemen en de snelle afhandeling van problemen de kern van de veiligheid van elektrische voertuigen.
OEM's beveiligingssysteem voor accu's is ontworpen en geverifieerd op basis van vier aspecten: monomeer, module, GBS en systeem. Enerzijds zorgen batterijfabrikanten zelf voor veiligheid vanuit de ontwerp- en fabricageschakels. Aan de andere kant beschouwen OEM's mechanische, elektrische en thermische veiligheid vanuit het perspectief van moduleveiligheid, zoals veiligheidsafstand, krachtontwerp en bescherming.
Wat de montagestructuur betreft, moeten OEM's rekening houden met verschillende bedrijfsomstandigheden van het voertuig, evenals met koelpijpleidingen, nieuwe koeltechnologieën, vroegtijdige waarschuwing voor thermische op hol geslagen en non-proliferatie. Tegelijkertijd moeten ze nadenken over actieve brandblussing en hoe branden door externe structuren kunnen worden geblust.
OEM's denken over het algemeen na over hoe ze het ontwerp van de veiligheid van accu's kunnen verbeteren vanaf het systeemniveau. Of het nu gaat om positieve en negatieve elektrodematerialen, elektrolyten, diafragma's, het structurele ontwerp, koeling, thermisch beheer en voorzorgswaarschuwingen van de PACK na de groep zijn allemaal objecten van OEM-analyse.
De veiligheid van lithiumbatterijen is een groot onderwerp, waarbij alle aspecten betrokken zijn, van materialen, productie tot toepassingen. Om de thermische veiligheid van elektrische voertuigen te garanderen, is de samenwerking vereist van OEM's, batterijfabrieken en testinstellingen om het mechanisme van thermische runaway te analyseren en nieuwe technologieën te onderzoeken om het optreden van thermal runaway te vertragen.
Verschillende geluiden van solid-state batterijen
De voorwaartse beweging van elektrische voertuigen geeft aan dat de specifieke energiestandaard van stroomaccu's niet achteruit gaat. De toepassing van positieve en negatieve materialen met een hoog potentieel is een trend geworden en NCM811- en siliciumkoolstofanoden verschijnen steeds vaker in de technische routes van batterijfabrieken. Maar het risico van brand bedreigt nog steeds de toepassing van batterijen met een hoog nikkelgehalte. Daarom hebben batterijfabrikanten en OEM's hun aandacht gericht op vlamvertragende, hogedrukbestendige vastestofelektrolyten, in de hoop het probleem van de balans tussen specifieke energie en veiligheid op te lossen.
Op deze China-Japan-Korea-conferentie zijn de opvattingen van de Chinese en Japanse gasten over het onderzoek en de toepassing van solid-state batterijen echter heel verschillend, wat een uitdaging vormt voor de industrie's inherente opvattingen over solid-state batterijen . In vergelijking met de gezamenlijke inspanningen van de site voor veiligheidsoplossingen met een hoog nikkelgehalte, gaat de site voor solid-state batterijen in verschillen vooruit.
Dr. Tadahiko Kubota, de Japanse expert op het gebied van vaste-stofbatterijen, 30 jaar, en Ogi Eiki, de voormalige expert op het gebied van accu's van Toyota en Honda, zegt over de huidige stand van het onderzoek naar vaste-stofbatterijen"pessimistisch" ;. Het is vrij moeilijk om solid-state batterijen toe te passen op elektrische voertuigen. Aan de andere kant werken binnenlandse batterijfabrieken zoals Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, de Chinese Academie van Wetenschappen, Tongji University en Shanghai Jiaotong University allemaal onvermoeibaar aan solid-state batterijen.
De meningen van Japanse experts kunnen als volgt worden samengevat: Toyota Sulfide bevindt zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase en massaproductie is onmogelijk met het huidige niveau van technologie. De oorspronkelijke bedoeling van de ontwikkeling van solid-state batterijen was om het aantal batterijen voor hybride voertuigen te verminderen. De buitenwereld denkt ten onrechte dat solid-state batterijen worden gebruikt in elektrische voertuigen. Dit is het verschil tussen het interne denken van Toyota' en de externe publieke opinie.
In termen van veiligheid kunnen solid-state batterijen ook lithiumdendrieten produceren, en de veiligheid is zeer zorgwekkend. En het beoordelen van de veiligheid ervan kan niet worden beoordeeld aan de hand van de vraag of de elektrolyt ontvlambaar is. Het belangrijkste probleem is het directe contact tussen de positieve elektrode en de negatieve elektrode met een hoge energiedichtheid.
All-solid-state batterijen kunnen de energiedichtheid verhogen, een van de redenen is dat externe materialen kunnen worden verminderd. Maar dit is niet alleen een kenmerk van volledig solid-state batterijen.
In termen van snel opladen hebben Toyota's paper en de meeste onderzoekers geen enkel bewijs bevestigd dat alle solid-state batterijen snel kunnen worden opgeladen. Ze zeiden allemaal dat lithiumdendrieten worden gevormd tijdens het opladen. Hoe meer mensen volledig solid-state batterijen begrijpen, hoe meer ze ontkennen dat ze snel kunnen worden opgeladen.
De meeste patenten van Toyota' in de afgelopen tien jaar hebben betrekking op impedantie. Het bestudeert dit probleem al tien jaar geleden en het is nog steeds een groot probleem.
Gezichten op huishoudelijke batterijfabrieken: de verspreiding van echte branden houdt rechtstreeks verband met organische vloeibare elektrolyten. Vaste elektrolyten, variërend van polymeren tot keramische elektrolyten, kunnen de veiligheid van batterijen in verschillende mate verbeteren. Op het gebied van veiligheid en energiedichtheid zijn solid-state batterijen in het verleden verbeterd in vergelijking met conventionele traditionele lithium-ionbatterijen. Het uitgangspunt is dat we goede technologie moeten hebben om het probleem van de interface op te lossen en ervoor te zorgen dat de vaste elektrolyt zich kan aanpassen aan het batterijontwerp en kan voldoen aan de hoge energie-batterijvereisten.
Wij zijn van mening dat solid-state batterijen in sommige opzichten voordelen hebben. Wanneer het diafragma en de elektrolyt worden vervangen door vaste stoffen, is dit veiliger. Wanneer de veiligheidsdrempel van het hele systeem wordt verhoogd, kan dit systeem positieve en negatieve materialen met een hoog potentieel gebruiken, zoals negatieve lithium-metaalelektroden, en zal het in de toekomst een hogere energiedichtheid hebben.
De huidige gedachte is om zoveel mogelijk compatibel te zijn met bestaande lithiumbatterijapparatuur en lithiumbatterijtechnologie en om de kosten zo veel mogelijk te verlagen. Omdat solid-state batterijen een hoge energiedichtheid en een hoge veiligheid hebben, kunnen ze in sommige speciale situaties als eerste worden gebruikt.
Het voordeel van energiedichtheid van solid-state batterijen is relatief niet duidelijk op celniveau en is prominenter op het PACK-niveau. Tegen 2021 zullen vastestofbatterijen actieve materialen gebruiken met een hogere bezettingsgraad, en de energiedichtheid op celniveau zal hetzelfde zijn als die van vloeibare batterijen en deze geleidelijk overtreffen.
Hoewel experts in binnen- en buitenland meningsverschillen hebben over de energiedichtheid en veiligheid van solid-state batterijen, zijn ze in wezen van mening dat de commerciële toepassing van solid-state batterijen een langdurig proces is om enkele van de tekortkomingen van vloeibare batterijen op te lossen. Daarom kunnen solid-state batterijen eerst worden geïmporteerd uit de motorfiets- en consumentenelektronica, en vervolgens het veld van elektrische voertuigen betreden wanneer de drie dimensies van veiligheid, prestaties en kosten volwassen zijn.
