リチウム電池の安全性、検出およびソリューションの普及

携帯電話、デジタル製品、電気自動車の人気により、リチウムイオン電池は人々の生活においてますます重要な役割を果たしています。低エネルギー密度の使用、限られたサイクル寿命、その他の問題がしばしば批判されますが、これらの問題と比較して、バッテリーの安全性の問題が注目されています。

近年、バッテリーの安全性の問題による事故はいたるところにあり、衝撃的なボーイング787「ドリーム」旅客機のリチウムバッテリー火災事件やSamsungGalaxyNote7の大規模なバッテリー火災爆発など、多くの問題の結果は衝撃的です。リチウムイオンバッテリーの安全性の問題が再び警告を発しています。

まず、リチウムイオン電池の組成と動作原理

リチウムイオン電池は、主に正極、負極、電解質、セパレーター、外部接続およびパッケージング部材で構成されています。その中で、正極および負極は、活電極材料、導電剤、バインダー等を含み、銅箔およびアルミ箔集電体に均一に塗布される。

リチウムイオン電池は、高い正極電位を有し、多くの場合、リチウムインターカレーション遷移金属酸化物、またはコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、三元、リン酸鉄リチウムなどのポリアニオン化合物を有する。リチウムイオン電池のアノード材料は通常、炭素材料です。グラファイトやグラファイト化不可能なカーボンなど。リチウムイオン電池電解質は、主に非水溶液であり、有機混合溶媒とリチウム塩からなり、溶媒は主に炭酸などの有機溶媒であり、リチウム塩は主にヘキサフルオロリン酸リチウムなどの一価ポリアニオンリチウム塩である。 ;リチウムイオン電池セパレーターは、ほとんどがポリエチレンとポリプロピレンの微孔性膜であり、正と負の材料を分離し、電子が短絡を通過するのを防ぎ、電解質中のイオンを通過させるように機能します。

充電プロセス中、バッテリー内部で、リチウムはイオンの形で正極から抽出され、電解質によってセパレーターを通って輸送され、負極に埋め込まれます。バッテリーの外側では、電子は外部回路から負極に移動します。放電プロセス中に、バッテリー内のリチウムイオンが負極から取り出され、セパレーターを通過して、正極に埋め込まれます。バッテリーの外側では、電子は外部回路から正極に移動します。充電と放電では、電池間を移動するのは「リチウム」という単体ではなく「リチウムイオン」であるため、「リチウムイオン電池」と呼ばれています。

第二に、リチウムイオン電池の安全上の問題

一般に、リチウムイオン電池には、燃焼または爆発するように見える安全上の問題があります。これらの問題の根本的な原因は、バッテリー内部の熱暴走にあります。さらに、過充電、火災、押し出し、パンク、短絡などの外部要因もあります。その他の問題もセキュリティの問題につながる可能性があります。リチウムイオン電池は、充電中および放電中に発熱します。発生した熱が電池の消散能力を超えると、リチウムイオン電池が過熱し、電池材料にSEI膜分解、電解質分解、正極分解、電解液と負極反応、負極反応などの破壊的な副反応が起こります。接着剤。

1.カソード材料の安全上の問題

リチウムイオン電池を不適切に使用すると、電池の内部温度が上昇し、正極材料で活物質の分解や電解質の酸化が起こります。同時に、両方の反応で大量の熱が発生し、バッテリーの温度がさらに上昇する可能性があります。異なる脱リチウム化状態は、活物質の格子転移、分解温度、および電池の熱安定性に大きな影響を及ぼします。

2.アノード材料の安全上の問題

初期段階で使用されていた陽極材料は金属リチウムです。組み立てられたバッテリーは、充電と放電を繰り返すとリチウムデンドライトになりやすく、ダイヤフラムに穴を開け、短絡、液漏れ、さらにはバッテリーの爆発を引き起こします。リチウムインターカレーション化合物は、リチウムデンドライトの生成を効果的に回避し、リチウムイオン電池の安全性を大幅に向上させることができます。温度が上昇すると、リチウムインターカレーション状態のカーボン負極が最初に電解質と発熱反応します。同じ充放電条件下で、リチウムを組み込んだ人工黒鉛と反応した電解質の熱放出率は、リチウムをインターカレーションしたインターカレーションされた炭素ミクロスフェア、炭素繊維、コークスなどの熱放出率よりもはるかに高い。

3.ダイヤフラムと電解液の安全上の問題

リチウムイオン電池の電解質は、リチウム塩と有機溶媒の混合液であり、市販のリチウム塩はヘキサフルオロリン酸リチウムであり、高温で熱分解しやすく、熱化学反応を起こす。電解質の熱安定性を低下させるための微量の水と有機溶媒。電解質の有機溶媒は炭酸塩です。これらの溶剤は、沸点と引火点が低く、リチウム塩と反応しやすく、高温でPF5を放出し、酸化しやすい溶媒です。

4.製造工程における安全上の問題

製造工程、電極製造、電池組立、その他の工程でのリチウムイオン電池は、電池の安全性に影響を与えます。正と負の混合、コーティング、圧延、切断またはパンチング、組み立て、電解液の量の充填、シーリング、化学的およびその他の品質管理プロセスなどはすべて、バッテリーの性能と安全性に影響を与えます。スラリーの均一性は、電極上の活物質の分布の均一性を決定し、それによって電池の安全性に影響を及ぼします。スラリーの細かさが大きすぎます。電池を充電・放電すると、負極材の伸縮が大きく変化し、金属リチウムが析出する場合があります。スラリーの細かさが小さすぎると、バッテリーの内部抵抗が大きすぎる可能性があります。コーティングの加熱温度が低すぎたり、乾燥時間が不十分な場合、溶剤が残り、バインダーが部分的に溶解し、一部の活物質が簡単に剥がれます。温度が高すぎると、バインダーが焦げて活物質が脱落し、バッテリー内部が短絡する恐れがあります。

5.バッテリー使用中の安全上の問題

使用中の過充電または過放電を最小限に抑えるために、リチウムイオン電池を使用する必要があります。特にモノマー容量の大きい電池の場合、熱障害により一連の発熱副反応が起こり、安全上の問題が発生する可能性があります。

第三に、リチウムイオン電池の安全性試験指標

リチウムイオン電池の製造後、消費者に届く前に一連のテストを実施して、電池の安全性を確保し、安全上の問題を軽減する必要があります。

1.押し出し試験：完全に充電されたバッテリーを平らな面に置き、油圧シリンダーで13±1KNのプレス力を加え、直径32mmの鋼棒からバッテリーを絞ります。押し出し圧力が最大ストップスクイーズに達すると、バッテリーは点火せず、爆発しません。

2.衝撃試験：バッテリーが完全に充電された後、平らな面に置きます。バッテリーの中央に直径15.8mmの鋼柱を垂直に置き、610mmの高さからバッテリー上部の鋼柱に9.1kgの重さを自由に落下させます。バッテリーを発射したり爆発させたりすることはできません。

3.過充電テスト：バッテリーは1Cで完全に充電されます。3C過充電10V過充電テストによると、バッテリーが特定の電圧まで一定時間過充電されると、バッテリー電圧は特定の時間に達すると急激に上昇します。 、上昇時限界値が高い場合、バッテリーの上限が破られ、電圧が0Vに低下し、バッテリーが発火したり爆発したりすることはありません。

4.短絡試験：バッテリーを完全に充電した後、バッテリーの正と負の端子を抵抗50mΩ以下のワイヤーで短絡し、バッテリーの表面温度をテストします。バッテリー表面の最高温度は140°Cです。バッテリーキャップが開いており、バッテリーが発火したり爆発したりすることはありません。

5.鍼治療テスト：完全に充電されたバッテリーを平らな面に置き、直径3mmの鋼針でバッテリーを放射状に刺します。テストバッテリーは発射または爆発できません。

6.温度サイクルテスト：リチウムイオンバッテリーの温度サイクルテストは、リチウムイオンバッテリーの輸送中に低温および高温環境に繰り返し輸送される際のリチウムイオンバッテリーの安全性をシミュレートするために使用されます。テストは、急速で極端な温度を使用することです。変化は起こっています。試験後、サンプルが発火、爆発、または漏れてはなりません。

第四に、リチウムイオン電池の安全ソリューション

リチウムイオン電池の材料、製造、使用における多くの安全上の問題を考慮すると、安全性の問題が発生しやすい部品をどのように改善するかは、リチウムイオン電池メーカーが解決する必要のある問題です。

1.電解液の安全性を向上させます

電解質と正極および負極の間には高い反応性があります。特に高温では、電池の安全性を向上させるために、電解質の安全性を向上させるためのより効果的な方法の1つです。電解質の安全上の問題は、機能性添加剤の添加、新しいリチウム塩の使用、および新しい溶媒の使用によって効果的に解決できます。

添加剤のさまざまな機能に応じて、安全保護添加剤、皮膜形成添加剤、正極保護添加剤、安定リチウム塩添加剤、リチウム沈殿添加剤、通電防錆添加剤、強化された浸透添加剤。

市販のリチウム塩の性能を向上させるために、研究者たちはそれらを原子的に置換し、多くの誘導体を得ました。なかでも、パーフルオロアルキル置換原子を用いて得られる化合物には、高い引火点、おおよその導電率、耐水性の向上など多くの利点があります。は、有望なリチウム塩化合物の一種です。また、ホウ素原子を中心原子とする酸素配位子を隔離して得られる陰イオン性リチウム塩は、熱安定性が高い。

溶媒については、多くの研究者がカルボン酸塩や有機エーテルなどの一連の新しい有機溶媒を提案しています。また、イオン液体にも一種の安全性の高い電解質がありますが、炭酸塩系電解質が比較的一般的に使用されており、イオン液体の粘度が数桁高く、導電率やイオン自己拡散係数が低くなっています。まだ実用から離れて多くの仕事です。

2.電極材料の安全性を向上させます

リン酸鉄リチウムと三元複合材料は、低コストで「安全な」優れたカソード材料であると考えられており、電気自動車業界で広く使用されている可能性があります。正極材料の場合、安全性を向上させるための一般的な方法はコーティングの変更です。例えば、正極材料を金属酸化物で表面コーティングすることにより、正極材料と電解質との直接接触を防ぎ、正極材料の相変化を抑制し、その構造安定性を改善して、結晶格子内のカチオンの乱れを低減することができる。副反応の発熱を減らすため。

負極材料の場合、リチウムイオン電池では表面が最も熱化学分解や発熱しやすいことが多いため、SEI膜の熱安定性を向上させることが負極材料の安全性を向上させる重要な方法です。負極材料の熱安定性は、弱い酸化、金属および金属酸化物の堆積、ポリマーまたは炭素コーティングによって改善することができます。

3.バッテリーの安全保護設計を改善します

電池材料の安全性の向上に加えて、電池安全弁の設定、ホットメルトヒューズ、正の温度係数のコンポーネントの直列接続、ヒートシールダイアフラムの使用、特殊な負荷など、市販のリチウムイオン電池の多くの安全保護対策保護回路や専用のバッテリー管理システムなどもセキュリティを強化する手段です。

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