Prebíjanie je jednou z najťažších položiek aktuálneho testu bezpečnosti lítiovej batérie, preto je potrebné pochopiť mechanizmus prebíjania a súčasné opatrenia na zamedzenie prebíjania.
Obrázok 1 je krivka napätia a teploty batérie systému NCM+LMO/Gr, keď je prebitá.Napätie dosiahne maximum pri 5,4 V a potom napätie klesne, čo prípadne spôsobí tepelný únik.Krivky napätia a teploty prebitia ternárneho akumulátora sú mu veľmi podobné.
Keď je lítiová batéria prebitá, generuje teplo a plyn.Teplo zahŕňa ohmické teplo a teplo generované vedľajšími reakciami, z ktorých je ohmické teplo hlavné.Vedľajšia reakcia batérie spôsobená prebíjaním je po prvé, že nadbytočné lítium je vložené do negatívnej elektródy a lítiové dendrity budú rásť na povrchu negatívnej elektródy (pomer N/P ovplyvní počiatočný rast SOC lítneho dendritu).Druhým je, že prebytočné lítium sa extrahuje z kladnej elektródy, čo spôsobuje kolaps štruktúry kladnej elektródy, pričom sa uvoľňuje teplo a uvoľňuje sa kyslík.Kyslík urýchli rozklad elektrolytu, vnútorný tlak batérie bude stále stúpať a po určitej hladine sa otvorí poistný ventil.Kontakt aktívneho materiálu so vzduchom ďalej vytvára viac tepla.
Štúdie ukázali, že zníženie množstva elektrolytu výrazne zníži produkciu tepla a plynu pri prebíjaní.Okrem toho sa skúmalo, že keď batéria nemá dlahu alebo sa bezpečnostný ventil pri prebíjaní nedá normálne otvoriť, batéria je náchylná na výbuch.
Mierne prebitie nespôsobí tepelný únik, ale spôsobí slabnutie kapacity.Štúdia zistila, že keď je batéria s hybridným materiálom NCM/LMO ako kladnou elektródou prebitá, nedochádza k zjavnému poklesu kapacity, keď je SOC nižšia ako 120 %, a kapacita sa výrazne znižuje, keď je SOC vyššia ako 130 %.
V súčasnosti existuje niekoľko spôsobov, ako vyriešiť problém s prebíjaním:
1) Ochranné napätie je nastavené v BMS, zvyčajne je ochranné napätie nižšie ako špičkové napätie pri prebíjaní;
2) Zlepšite odolnosť batérie proti prebitiu úpravou materiálu (ako je povrchová úprava materiálu);
3) Pridajte do elektrolytu prísady proti prebitiu, ako sú redoxné páry;
4) Pri použití napäťovo citlivej membrány sa pri prebití batérie výrazne zníži odpor membrány, čo pôsobí ako skrat;
5) Dizajn OSD a CID sa používa v štvorcových batériách s hliníkovým plášťom, ktoré sú v súčasnosti bežné konštrukcie proti prebitiu.Vrecková batéria nemôže dosiahnuť podobný dizajn.
Referencie
Materiály na skladovanie energie 10 (2018) 246–267
Tentokrát si predstavíme zmeny napätia a teploty lítium-kobaltoxidovej batérie pri jej prebití.Na obrázku nižšie je krivka napätia a teploty prebitia lítium-kobaltoxidovej batérie a horizontálna os predstavuje množstvo delitiácie.Zápornou elektródou je grafit a rozpúšťadlom elektrolytu je EC/DMC.Kapacita batérie je 1,5Ah.Nabíjací prúd je 1,5A a teplota je vnútorná teplota batérie.
Zóna I
1. Napätie batérie pomaly stúpa.Kladná elektróda oxidu lítneho kobaltu delitiuje viac ako 60 % a kovové lítium sa vyzráža na strane zápornej elektródy.
2. Batéria je vydutá, čo môže byť spôsobené vysokotlakovou oxidáciou elektrolytu na kladnej strane.
3. Teplota je v podstate stabilná s miernym nárastom.
Zóna II
1. Teplota začne pomaly stúpať.
2. V rozsahu 80~95% sa impedancia kladnej elektródy zvyšuje a vnútorný odpor batérie sa zvyšuje, ale klesá na 95%.
3. Napätie batérie presahuje 5V a dosahuje maximum.
Zóna III
1. Pri približne 95 % začne teplota batérie rýchlo stúpať.
2. Od približne 95 % až po takmer 100 % napätie batérie mierne klesá.
3. Keď vnútorná teplota batérie dosiahne cca 100°C, napätie batérie prudko klesne, čo môže byť spôsobené poklesom vnútorného odporu batérie v dôsledku zvýšenia teploty.
Zóna IV
1. Keď je vnútorná teplota batérie vyššia ako 135°C, PE separátor sa začne topiť, vnútorný odpor batérie rýchlo stúpa, napätie dosiahne hornú hranicu (~12V) a prúd klesne na nižšiu hodnotu.
2. Medzi 10-12V je napätie batérie nestabilné a prúd kolíše.
3. Vnútorná teplota batérie rýchlo stúpne a teplota stúpne na 190-220 °C, kým batéria praskne.
4. Batéria je rozbitá.
Prebíjanie ternárnych batérií je podobné ako pri lítium-kobaltoxidových batériách.Pri prebíjaní ternárnych batérií so štvorcovými hliníkovými škrupinami na trhu sa pri vstupe do zóny III aktivuje OSD alebo CID a prúd sa preruší, aby sa batéria chránila pred prebitím.
Referencie
Journal of The Electrochemical Society, 148 (8) A838-A844 (2001)
Čas odoslania: 07. december 2022