فناوری خطر و ایمنی باتری لیتیوم یونی (2)

3. تکنولوژی امنیتی

اگرچه باتری‌های لیتیوم یونی خطرات پنهان زیادی دارند، اما در شرایط خاص استفاده و با اقدامات خاص، می‌توانند به طور موثری وقوع واکنش‌های جانبی و واکنش‌های خشونت‌آمیز در سلول‌های باتری را کنترل کنند تا از استفاده ایمن آن‌ها اطمینان حاصل شود.در زیر معرفی مختصری از چندین فناوری ایمنی رایج برای باتری های لیتیوم یونی ارائه شده است.

(1) مواد خام با ضریب ایمنی بالاتر را انتخاب کنید

مواد فعال قطبی مثبت و منفی، مواد دیافراگمی و الکترولیت هایی با ضریب ایمنی بالاتر باید انتخاب شوند.

الف) انتخاب مطالب مثبت

ایمنی مواد کاتدی عمدتاً بر اساس سه جنبه زیر است:

1. پایداری ترمودینامیکی مواد.

2. پایداری شیمیایی مواد.

3. خواص فیزیکی مواد.

ب) انتخاب مواد دیافراگمی

وظیفه اصلی دیافراگم جدا کردن الکترودهای مثبت و منفی باتری، جلوگیری از اتصال کوتاه ناشی از تماس بین الکترودهای مثبت و منفی و عبور یون های الکترولیت است، یعنی دارای عایق و یون الکترونیکی است. رساناییهنگام انتخاب دیافراگم برای باتری های لیتیوم یونی باید به نکات زیر توجه کرد:

1. دارای عایق الکترونیکی برای اطمینان از جداسازی مکانیکی الکترودهای مثبت و منفی.

2. دارای دیافراگم و تخلخل خاصی برای اطمینان از مقاومت کم و هدایت یونی بالا.

3. مواد دیافراگم باید پایداری شیمیایی کافی داشته باشد و در برابر خوردگی الکترولیت مقاوم باشد.

4. دیافراگم باید عملکرد حفاظت خاموش شدن خودکار را داشته باشد.

5. انقباض حرارتی و تغییر شکل دیافراگم باید تا حد امکان کوچک باشد.

6. دیافراگم باید ضخامت معینی داشته باشد.

7. دیافراگم باید قدرت فیزیکی قوی و مقاومت کافی در برابر سوراخ شدن داشته باشد.

ج) انتخاب الکترولیت

الکترولیت بخش مهمی از باتری لیتیوم یونی است که نقش انتقال و هدایت جریان بین الکترودهای مثبت و منفی باتری را ایفا می کند.الکترولیت مورد استفاده در باتری های لیتیوم یونی محلول الکترولیتی است که از حل کردن نمک های لیتیوم مناسب در حلال های مخلوط آپروتیک آلی تشکیل می شود.به طور کلی باید شرایط زیر را برآورده کند:

1. پایداری شیمیایی خوب، بدون واکنش شیمیایی با ماده فعال الکترود، مایع جمع کننده و دیافراگم.

2. پایداری الکتروشیمیایی خوب، با پنجره الکتروشیمیایی گسترده.

3. هدایت یون لیتیوم بالا و هدایت الکترونیکی کم.

4. طیف گسترده ای از دمای مایع.

5. ایمن، غیر سمی و سازگار با محیط زیست است.

(2) طراحی ایمنی کلی سلول را تقویت کنید

سلول باتری پیوندی است که مواد مختلف باتری و ادغام قطب مثبت، قطب منفی، دیافراگم، لوگ و فیلم بسته بندی را با هم ترکیب می کند.طراحی ساختار سلول نه تنها بر عملکرد مواد مختلف تأثیر می گذارد، بلکه تأثیر مهمی بر عملکرد کلی الکتروشیمیایی و عملکرد ایمنی باتری دارد.انتخاب مصالح و طراحی ساختار هسته فقط نوعی رابطه بین محلی و کل است.در طراحی هسته، حالت ساختار معقول باید با توجه به ویژگی های مواد فرموله شود.

علاوه بر این، برخی از وسایل حفاظتی اضافی را می توان برای ساختار باتری لیتیومی در نظر گرفت.مکانیسم های حفاظتی رایج به شرح زیر است:

الف) عنصر سوئیچ پذیرفته شده است.هنگامی که دمای داخل باتری افزایش می یابد، مقدار مقاومت آن نیز بر همین اساس افزایش می یابد.هنگامی که درجه حرارت بیش از حد بالا باشد، منبع تغذیه به طور خودکار قطع می شود.

ب) یک سوپاپ اطمینان (یعنی دریچه هوا در بالای باتری) تنظیم کنید.هنگامی که فشار داخلی باتری به مقدار مشخصی افزایش می یابد، دریچه ایمنی به طور خودکار باز می شود تا از ایمنی باتری اطمینان حاصل شود.

در اینجا چند نمونه از طراحی ایمنی ساختار هسته الکتریکی آورده شده است:

1. نسبت ظرفیت قطب مثبت و منفی و برش اندازه طراحی

نسبت ظرفیت مناسب الکترودهای مثبت و منفی را با توجه به ویژگی های مواد الکترود مثبت و منفی انتخاب کنید.نسبت ظرفیت الکترود مثبت و منفی سلول یک پیوند مهم مرتبط با ایمنی باتری‌های لیتیوم یونی است.اگر ظرفیت الکترود مثبت خیلی زیاد باشد، لیتیوم فلزی روی سطح الکترود منفی رسوب می کند، در حالی که اگر ظرفیت الکترود منفی خیلی زیاد باشد، ظرفیت باتری به شدت از بین می رود.به طور کلی، N/P=1.05-1.15، و انتخاب مناسب باید با توجه به ظرفیت واقعی باتری و الزامات ایمنی انجام شود.قطعات بزرگ و کوچک باید طوری طراحی شوند که موقعیت خمیر منفی (ماده فعال) موقعیت خمیر مثبت را در بر بگیرد (بیش از آن).به طور کلی، عرض باید 1 تا 5 میلی متر بزرگتر و طول آن 5 تا 10 میلی متر بزرگتر باشد.

2. کمک هزینه برای عرض دیافراگم

اصل کلی طراحی عرض دیافراگم جلوگیری از اتصال کوتاه داخلی ناشی از تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی است.از آنجایی که انقباض حرارتی دیافراگم باعث تغییر شکل دیافراگم در جهت طول و عرض در هنگام شارژ و دشارژ باتری و تحت شوک حرارتی و سایر محیط‌ها می‌شود، قطبش ناحیه تا شده دیافراگم به دلیل افزایش فاصله بین مثبت افزایش می‌یابد. و الکترودهای منفی؛احتمال اتصال کوتاه میکرو در ناحیه کشش دیافراگم به دلیل نازک شدن دیافراگم افزایش می یابد.انقباض در لبه دیافراگم ممکن است منجر به تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی و اتصال کوتاه داخلی شود که ممکن است به دلیل فرار حرارتی باتری باعث ایجاد خطر شود.بنابراین هنگام طراحی باتری باید ویژگی های انقباض آن را در استفاده از مساحت و عرض دیافراگم در نظر گرفت.فیلم جداسازی باید بزرگتر از آند و کاتد باشد.علاوه بر خطای فرآیند، فیلم جداسازی باید حداقل 0.1 میلی متر بلندتر از قسمت بیرونی قطعه الکترود باشد.

3. درمان عایق

اتصال کوتاه داخلی یک عامل مهم در خطر بالقوه ایمنی باتری لیتیوم یون است.قطعات خطرناک بالقوه زیادی وجود دارند که باعث اتصال کوتاه داخلی در طراحی ساختاری سلول می شوند.بنابراین، برای جلوگیری از اتصال کوتاه داخلی در باتری در شرایط غیرعادی، مانند حفظ فاصله لازم بین گوش الکترود مثبت و منفی، باید اقدامات یا عایق های لازم در این موقعیت های کلیدی تنظیم شود.نوار عایق باید در حالت غیر خمیری در وسط انتهای منفرد چسبانده شود و تمام قسمت های در معرض دید باید پوشانده شود.نوار عایق باید بین فویل آلومینیومی مثبت و ماده فعال منفی چسبانده شود.قسمت جوش بند باید به طور کامل با نوار عایق پوشانده شود.نوار عایق در بالای هسته الکتریکی استفاده می شود.

4. تنظیم شیر اطمینان (دستگاه کاهش فشار)

باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً به این دلیل خطرناک هستند که دمای داخلی خیلی زیاد است یا فشار آن خیلی زیاد است که باعث انفجار و آتش‌سوزی نمی‌شود.دستگاه کاهش فشار معقول می تواند به سرعت فشار و گرمای داخل باتری را در صورت خطر آزاد کند و خطر انفجار را کاهش دهد.دستگاه کاهش فشار معقول نه تنها باید فشار داخلی باتری را در حین کار عادی برآورده کند، بلکه باید به طور خودکار باز شود تا زمانی که فشار داخلی به حد خطر برسد، فشار را آزاد کند.موقعیت تنظیم دستگاه کاهش فشار باید با توجه به ویژگی های تغییر شکل پوسته باتری به دلیل افزایش فشار داخلی طراحی شود.طراحی سوپاپ اطمینان را می توان با تکه ها، لبه ها، درزها و شکاف ها محقق کرد.

(3) بهبود سطح فرآیند

باید تلاش کرد تا فرآیند تولید سلول استاندارد و استاندارد شود.در مراحل اختلاط، پوشش، پخت، تراکم، شکاف و سیم پیچی، فرمول بندی استاندارد (مانند عرض دیافراگم، حجم تزریق الکترولیت و غیره)، بهبود روش های فرآیندی (مانند روش تزریق فشار کم، روش بسته بندی گریز از مرکز و غیره) انجام کار خوب در کنترل فرآیند، اطمینان از کیفیت فرآیند، و کاهش تفاوت بین محصولات.مراحل کار ویژه ای را در مراحل کلیدی که بر ایمنی تأثیر می گذارد (مانند سوراخ کردن قطعه الکترود، جارو کردن پودر، روش های مختلف جوش برای مواد مختلف و غیره)، اجرای نظارت بر کیفیت استاندارد، حذف قطعات معیوب و حذف محصولات معیوب (مانند تغییر شکل قطعات) تنظیم کنید. قطعه الکترود، سوراخ شدن دیافراگم، افتادن مواد فعال، نشت الکترولیت و غیره)؛محل تولید را تمیز و مرتب نگه دارید، مدیریت 5S و کنترل کیفیت 6 سیگما را اجرا کنید، از مخلوط شدن ناخالصی ها و رطوبت در تولید جلوگیری کنید و تاثیر حوادث در تولید را بر ایمنی به حداقل برسانید.