Tegenwoordig gebruiken diverse autofabrikanten op grote schaal lithiumbatterijen in elektrische auto's. De energiedichtheid wordt steeds hoger, maar de veiligheid van deze batterijen blijft een punt van zorg. Thermische oververhitting is dan ook geen goed uitgangspunt voor veiligheidsproblemen. Het is daarom een belangrijk onderzoeksonderwerp op het gebied van batterijveiligheid en verdient de nodige aandacht.
Laten we eerst eens kijken wat thermische runaway is. Thermische runaway is een kettingreactie die wordt veroorzaakt door verschillende triggers, met als resultaat dat de batterij in korte tijd een grote hoeveelheid warmte en schadelijke gassen uitstoot. In ernstige gevallen kan dit zelfs leiden tot brand en een explosie. Er zijn veel oorzaken voor thermische runaway, zoals oververhitting, overladen, interne kortsluiting, botsingen, enzovoort. Thermische runaway begint vaak met de ontbinding van de negatieve SEI-film in de batterijcel, gevolgd door de ontbinding en het smelten van het membraan, waardoor de negatieve elektrode en de elektrolyt verbranden. Vervolgens ontbinden ook de positieve elektrode en de elektrolyt, wat een grootschalige interne kortsluiting veroorzaakt. Hierdoor verbrandt de elektrolyt, wat zich vervolgens verspreidt naar andere cellen en een ernstige thermische runaway veroorzaakt, waardoor het hele batterijpakket spontaan in brand kan vliegen.
De oorzaken van thermische oververhitting kunnen worden onderverdeeld in interne en externe oorzaken. Interne oorzaken zijn vaak te wijten aan interne kortsluitingen; externe oorzaken zijn te wijten aan mechanische overbelasting, elektrische overbelasting, thermische overbelasting, enzovoort.
Een interne kortsluiting, oftewel een direct contact tussen de positieve en negatieve pool van de batterij, varieert sterk in de mate van contact en de daaropvolgende reactie. Meestal leidt een grote interne kortsluiting, veroorzaakt door mechanische en thermische overbelasting, direct tot thermische runaway. Daarentegen zijn interne kortsluitingen die spontaan ontstaan relatief klein en de warmte die ze genereren is zo gering dat ze niet direct thermische runaway veroorzaken. Zelfontstane interne kortsluitingen worden vaak veroorzaakt door fabricagefouten, verslechtering van diverse eigenschappen als gevolg van veroudering van de batterij, zoals een verhoogde interne weerstand, lithiummetaalafzettingen door langdurig licht misbruik, enzovoort. Naarmate de tijd verstrijkt, neemt het risico op een interne kortsluiting door dergelijke interne oorzaken geleidelijk toe.
Mechanische mishandeling verwijst naar de vervorming van de lithiumbatterijmonomeren en het batterijpakket onder invloed van externe krachten, en de relatieve verschuiving van verschillende onderdelen ervan. De belangrijkste vormen van mishandeling van de batterijcel zijn botsing, extrusie en perforatie. Een vreemd voorwerp dat bijvoorbeeld met hoge snelheid door een voertuig wordt geraakt, kan direct leiden tot het bezwijken van het interne membraan van de batterij, wat op zijn beurt een kortsluiting in de batterij veroorzaakt en binnen korte tijd spontane ontbranding teweegbrengt.
Elektrische mishandeling van lithiumbatterijen omvat over het algemeen externe kortsluiting, overladen en overontladen, wat het meest waarschijnlijk leidt tot thermische runaway. Externe kortsluiting treedt op wanneer twee geleiders met een spanningsverschil buiten de cel met elkaar verbonden zijn. Externe kortsluitingen in accupakketten kunnen het gevolg zijn van vervorming door aanrijdingen, onderdompeling in water, vervuiling van geleiders of een elektrische schok tijdens onderhoud. De warmte die vrijkomt bij een externe kortsluiting verwarmt de batterij doorgaans niet, in tegenstelling tot een perforatie. De belangrijke link tussen een externe kortsluiting en thermische runaway is het bereiken van een temperatuur die het punt van oververhitting bereikt. Wanneer de door de externe kortsluiting gegenereerde warmte niet goed kan worden afgevoerd, stijgt de batterijtemperatuur en veroorzaakt de hoge temperatuur thermische runaway. Het afsnijden van de kortsluitstroom of het afvoeren van overtollige warmte zijn daarom manieren om te voorkomen dat de externe kortsluiting verdere schade veroorzaakt. Overladen, vanwege de grote hoeveelheid energie die ermee vrijkomt, is een van de grootste gevaren van elektrische mishandeling. De ontwikkeling van warmte en gas zijn twee veelvoorkomende kenmerken van het overlaadproces. De warmteontwikkeling is afkomstig van ohmse warmte en nevenreacties. Ten eerste groeien er lithiumdendrieten op het anodeoppervlak als gevolg van een overmatige hoeveelheid ingebed lithium.
Maatregelen ter bescherming tegen thermische oververhitting:
In de fase van zelfgegenereerde warmteontwikkeling, om thermische doorslag van de kern te voorkomen, hebben we twee opties. Ten eerste kunnen we het materiaal van de kern verbeteren en upgraden. De essentie van thermische doorslag ligt immers in de stabiliteit van de positieve en negatieve elektrodematerialen en de elektrolyt. In de toekomst moeten we ook grotere doorbraken bereiken op het gebied van coating en modificatie van het kathodemateriaal, de compatibiliteit van de homogene elektrolyt en elektrode, en het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van de kern. Of we kunnen kiezen voor een elektrolyt met een hoge veiligheid en vlamvertragende eigenschappen. Ten tweede is het noodzakelijk om efficiënte oplossingen voor thermisch beheer te implementeren.PTC-koelvloeistofverwarmer/ PTC-luchtverwarmer) van buitenaf om de temperatuurstijging van de Li-ion-batterij te onderdrukken, zodat de SEI-film van de cel niet de oplostemperatuur bereikt en er vanzelfsprekend geen thermische runaway optreedt.
Geplaatst op: 17 maart 2023
