リチウムイオン電池の安全性の問題は何ですか？

リチウムイオン電池の内部の安全性は、電池内部の熱暴走と熱の蓄積によって引き起こされ、電池の内部温度が継続的に上昇します。外部性能は、燃焼や爆発などの激しいエネルギー放出現象です。

バッテリーはエネルギーの高密度キャリアです。本質的に、安全でない要因があります。エネルギー密度が高いほど、エネルギーの激しい放出の影響が大きくなり、安全性の問題がより顕著になります。ガソリン、天然ガス、アセチレンなどの高エネルギー運搬船も同様の問題を抱えており、毎年発生する安全事故は数多くあります。

さまざまな電気化学システム、さまざまな容量、プロセスパラメータ、使用環境、および使用の程度は、リチウムイオン電池の安全性に大きな影響を与えます。

バッテリーはエネルギーを蓄えるため、エネルギー放出プロセス中に、バッテリーの発熱と蓄積の速度が熱放散の速度よりも速い場合、バッテリーの内部温度は上昇し続けます。リチウムイオン電池は、高活性アノード材料と有機電解質で構成されており、加熱すると激しい化学副反応を起こしやすい。このような反応は大量の熱を発生させ、さらには「熱暴走」につながり、バッテリーに危険な事故を引き起こす主な原因となります。

リチウムイオン電池のサイクル寿命と安全性について

リチウムイオン電池内部の熱暴走は、電池内部の化学反応の一部が以前の予想とは異なり、制御不能で無秩序な状態にあり、エネルギーが急速かつ強力に放出されることを示しています。 。

それでは、熱暴走につながる大量の発熱を伴う化学反応がどのようなものであるかを見てみましょう。

1. SEI膜分解、電解質発熱副反応

固体電解質膜は、リチウムイオン電池の初期サイクル中に形成されます。 SEIメンブレンが厚すぎたり、望ましいものになったりすることは望ましくありません。負極活物質が電解質と反応するのを防ぐために、合理的なSEIフィルムが存在します。

ただし、電池の内部温度が約130℃に達すると、SEI膜が分解して負極が完全に露出し、電極表面に電解液が多く遊離し、内部温度が上昇します。バッテリーが急激に上昇します。

これは、リチウム電池内部の最初の発熱副反応であり、一連の熱暴走問題の開始点です。

2.電解質の熱分解

負極の電解液の発熱副反応により、電池の内部温度が連続的に上昇し、LiPF6と電解液中の溶媒がさらに熱分解します。

この副反応は、約130°C〜250°Cの温度範囲で発生し、大量の発熱を伴い、バッテリー内部の温度をさらに上昇させます。

3.カソード材料の熱分解

電池の内部温度がさらに上昇すると、正極の活物質が分解し、この反応は一般に180℃から500℃の間で大量の熱と酸素を伴って起こります。

正極材料が異なれば、活物質の分解により発生する熱も異なり、放出される酸素含有量も異なります。リン酸鉄リチウムカソード材料は、分解中に発生する熱が少ないため、すべてのカソード材料の中で最も熱安定性があります。ニッケル-コバルト-マンガンの三元材料が分解されると、より多くの熱が発生し、大量の酸素が放出され、燃焼や爆発が起こりやすく、安全性が比較的低くなります。

4.バインダーとネガティブ活物質との反応

負の活物質LixC6とPVDFバインダーの反応温度は約240°Cから始まり、ピークは290°Cに現れ、反応発熱は1500 J / gに達します。

上記の分析から、リチウムイオン電池の熱暴走は瞬間的ではなく、段階的なプロセスであることがわかります。このプロセスは、一般に過充電、大量の充電と放電、内部短絡、外部短絡、振動、衝突、落下、衝撃などによって引き起こされ、短時間でバッテリー内部に大量の熱を発生させます。継続的に蓄積し、バッテリーの温度を押し上げ続けます。

温度が内部連鎖反応のしきい値温度（約130°C）に上昇すると、リチウムイオン電池の内部は一連の発熱性副反応を自発的に生成し、電池内部の熱蓄積と温度上昇をさらに増加させます。可燃性ガスが大量に沈殿します。内部溶剤や可燃性ガスの引火点や発火点まで温度が上昇すると、燃焼や爆発などの安全事故の原因となります。

新品のリチウムイオン電池は安全性試験認証に合格しており、リチウムイオン電池のライフサイクルの安全性を表すものではありません。私たちの目の前の分析によると、長期使用プロセスでは、アノードの表面にリチウム金属の堆積、電解質の分解と揮発性を生成する可能性があり、カソード活物質の脱落、バッテリーの内部構造の変形、材料の混合金属の不純物や他の多くの予期しない変化により、これらはバッテリー内部の短絡を引き起こし、大量の熱を発生させます。さらに、過充電、押し出し、金属の穴あけ、衝突、落下、衝撃などのさまざまな外部の乱用状況も、短時間でバッテリーにつながり、大量の熱を発生させ、熱の原因になります逃げる。

リチウムイオン電池の使用では、絶対的な安全性はなく、相対的な安全性のみがあります。私たちは虐待を避け、危険な出来事の発生の可能性を減らすように努めなければなりません。同時に、正と負の材料、電解質、セパレーターなどの主成分から始めて、化学的安定性と熱安定性に優れた材料を選択する必要があります。内部および外部の熱暴走のインセンティブが存在する場合の難燃性は、内部副反応の熱を低減するか、または発火温度を高くして熱暴走を回避します。バッテリーの構造とハウジングの設計では、外部応力に耐え、内部に明らかな変形がないことを保証するのに十分な機械的強度を達成するために、構造の安定性を十分に考慮する必要があります。また、放熱性能も考慮することが重要です。時間内に熱を放散できれば、内部温度は上昇し続けず、熱暴走は発生しません。

リチウムイオン電池の安全設計は体系的な理論です。正極材料の熱を分解するだけでリチウムイオン電池の安全性を測定することは包括的ではありません。システムの観点から、リン酸鉄リチウム電池は、熱暴走に最終的に影響を与える多くの要因があり、カソード材料の分解によって生成される熱は1つの要因にすぎないため、必ずしも3成分材料より安全であるとは限りません。

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