Als de belangrijkste energiebron voor moderne elektronische apparaten en elektrische voertuigen worden lithium-ionbatterijen veel gebruikt in smartphones, elektrische voertuigen (EV's) en persoonlijke lichte elektrische voertuigen (PLEV's) zoals e-scooters en e-fietsen. Ondanks hun voordelen van hoge energiedichtheid, lange levensduur en snel opladen, blijft Thermal Runaway (TR) het grootste veiligheidsrisico van lithium-ionbatterijen. Wanneer de batterijtemperatuur een kritische drempel overschrijdt (meestal 150-180 graden), wordt een oncontroleerbare zelfopwarmingscyclus geactiveerd, waarbij een grote hoeveelheid hitte en giftige gassen vrijkomt, wat kan leiden tot brand of zelfs explosies.
Met het veelvuldig voorkomen van ongelukken met PLEV-batterijbranden is het bijzonder urgent geworden om het thermische runaway-mechanisme grondig te begrijpen en preventieve maatregelen te nemen. In dit artikel wordt een systematische analyse uitgevoerd van het mechanisme naar de oplossingen.
I. Essentiële kenmerken van Thermal Runaway
Thermal runaway is een chemische kettingreactie die optreedt wanneer de warmteopwekkingssnelheid in een lithium{0}}ionbatterij de warmtedissipatiecapaciteit overschrijdt, met als kenmerk een zichzelf- in stand houdende versnelling totdat alle brandbare stoffen in de batterij zijn verbruikt. De kernmanifestaties zijn onder meer:
1. Oncontroleerbare temperatuurstijging
- Triggerdrempel: Exotherme reacties treden op tussen elektrolyt en elektrodematerialen bij 150-180 graden.
- Snelheid temperatuurstijging: De warmte die vrijkomt bij de reactie kan ervoor zorgen dat de temperatuur boven de 1000 graden stijgt.
- Verspreidingsrisico: Hoge temperaturen kunnen thermische voortplanting in aangrenzende batterijcellen veroorzaken.
2. Gasuitbarsting en breuk van granaten
- Gassamenstelling: Bij de ontleding van elektrolyten ontstaan brandbare en giftige gassen zoals waterstof en koolmonoxide.
- Drukaccumulatie: Een plotselinge toename van de interne druk van de afgedichte schaal leidt tot scheuren.
- Secundaire rampen: Uitbarstende gassen kunnen exploderen wanneer ze vonken tegenkomen.
3. Het vrijkomen van brand en giftige gassen
- Verbrandingskarakteristieken: De vlamtemperatuur overschrijdt 1000 graden en kathodematerialen ontleden om zuurstof vrij te geven die de verbranding ondersteunt.
- De traditionele blusmethode voor verstikkingsbranden is niet effectief en vereist een continue koelingscontrole.
- Toxische emissies: Vrijkomen van corrosieve gassen zoals fluorwaterstofzuur (HF), wat schadelijk is voor de luchtwegen.
4. Thermisch voortplantingsmechanisme
II. Analyse van vier factoren die een thermische runaway veroorzaken
1. Mechanisch misbruik
- Botsing en lekke band: Externe krachten veroorzaken schade aan de afscheider, wat leidt tot interne kortsluiting (bijv. -ongelukken met een voertuig).
- Trillingsmoeheid: voortdurende trillingen veroorzaken micro-scheurtjes in de elektroden, waardoor het risico op lokale oververhitting groter wordt.
- Suggesties voor technische bescherming: bij het structurele ontwerp van batterijmodules kan het gebruik van zeer sterke SMT-koperstripverbindingen de mechanische stabiliteit verbeteren en door trillingen veroorzaakte micro-schade verminderen.
2. Elektrisch misbruik
- Overladen of overmatig ontladen veroorzaakt verslechtering van de interne structuur
- Overcharging (>4,2 V/cel): Lithiumplating op de anode vormt dendrieten die de separator binnendringen.
- Over-ontladen (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
- BMS-storing: Het batterijbeheersysteem werkt niet goed en kan abnormale toestanden niet voorkomen.
3. Thermisch misbruik
- Hoge omgevingstemperatuur: Accu's worden blootgesteld aan omgevingen boven de 60 graden (bijvoorbeeld in voertuigen met fel zonlicht).
- Onvoldoende warmteafvoer: Batterijen in modules zijn te dicht op elkaar gestapeld, waardoor warmteaccumulatie ontstaat.
- Thermisch beheerdefecten: gebrek aan effectief ontwerp van het warmtedissipatiepad.
4. Fabricagefouten
- Metaalverontreinigingen: metaaldeeltjes van micron-grootte die in het productieproces achterblijven, dringen de afscheider binnen.
- Defecten aan de afscheider: Een ongelijkmatige coating leidt tot lokaal falen van de isolatie.
- Inferieure cellen: Namaakbatterijen hebben geen veiligheidskleppen (CID) en bescherming tegen positieve temperatuurcoëfficiënten (PTC).
Ⅲ. Technologiesysteem voor thermische runaway-preventie
1. Verbeteringen in het ontwerp van thermisch beheer
- Thermische isolatiebarrières: Keramische coatings/aerogelmaterialen worden gebruikt om de thermische voortplanting te vertragen.
- Koelsystemen: EV's: circulatiepijpleidingen voor vloeistofkoeling; PLEV's: Verbeterde koellichamen + luchtkoelingontwerp.
- Structurele optimalisatie: Op moduleniveau kan een redelijke lay-out van SMT-koperstrips met hoge thermische geleidbaarheid efficiënte laterale warmtedissipatiepaden tot stand brengen, en gecombineerd met faseveranderingsmaterialen om de thermische balans te verbeteren.
2. Intelligent batterijbeheersysteem (BMS)
- Drievoudige monitoring: real-detectie van spanning, stroom en temperatuur.
- Actieve bescherming: automatische uitschakeling-bij overladen/over-ontladen; Dynamisch balanceren van celspanningen.
- Vroegtijdig waarschuwingsmechanisme: draadloze overdracht van abnormale alarmsignalen.
3. Intrinsiek veilige materialen
Vergelijking van verschillende batterijmaterialen
4. Beschermingsmaatregelen aan de gebruikers-zijde
- Oplaadspecificaties: Gebruik originele opladers; Vermijd opladen gedurende de nacht; Zorg voor een laadniveau tussen 20% en 80%.
- Opslagvereisten: Koele en geventileerde omgeving, verwijderd van brandbare stoffen.
- Identificatie van afwijkingen: Stop onmiddellijk met het gebruik als u een uitstulping of een vreemde geur opmerkt.
Ⅳ. Geavanceerde- bewakingstechnologieën
- Regelgevende normen: Handhaving van veiligheidscertificeringen zoals UL 2271 en IEC 62619.
- Verantwoordelijkheden van de fabrikant: opzetten van een celtraceerbaarheidssysteem; Elimineer de circulatie van inferieure batterijen.
- Technologische innovatie: Promoot laserlasterminaltechnologie om de betrouwbaarheid van elektrische verbindingen te garanderen en lokale oververhitting veroorzaakt door contactweerstand te verminderen.
Ⅴ.Conclusie
Met de snelle ontwikkeling van de elektrische transport- en energieopslagindustrieën vereist het voorkomen van de thermische uitbraak van lithium{0}}ionbatterijen multi-samenwerking op het gebied van materiaalonderzoek en -ontwikkeling, technisch ontwerp en gebruikerseducatie. Door het optimaliseren van thermische beheerontwerpen (zoals SMT-systemen voor warmtegeleiding met koperstrips), het populariseren van intelligente BMS-systemen en het bevorderen van veilige chemische systemen zoals LFP, kunnen we een betrouwbaarder ecosysteem voor energieopslag opbouwen.
