Обнаружение газа в литиевых батареях при термическом разгоне

Литий-ионные элементы обладают высочайшей плотностью энергии, низкой скоростью саморазряда, длительным сроком службы, малым весом и экологичностью и широко используются во многих потребительских товарах и хранилищах энергии, от электромобилей до станций хранения энергии. Однако люди также напуганы самовозгоранием и взрывом аккумуляторов, что до сих пор остается темой, которую невозможно избежать в отрасли. Термический разгон является основным объектом исследований по повышению безопасности литий-ионных аккумуляторов.

Термический разгон представляет собой явление цепной реакции, вызванное различными причинами, в то время как большое количество выделяемого тепла и вредных газов приводит к возгоранию и взрыву аккумулятора. Термический побег обычно вызывается тремя видами злоупотреблений: механическим, электрическим и термическим.

Механическое насилие- батарея подвергается воздействию внешних сил, таких как столкновение, выдавливание и иглоукалывание, которые разрывают внутреннюю диафрагму (пленка SEI - граница раздела твердый электролит) литиевой батареи, обнажают положительный электрод для подключения к отрицательному электроду и вызывают внутреннее короткое замыкание.

Электрическое злоупотребление- аккумулятор подвержен внутренним и внешним коротким замыканиям, перезаряду, разряду. Когда в литиевой батарее происходит внутреннее короткое замыкание, выделяется большое количество тепла, запускаются химические реакции в условиях более высоких температур, эти реакции дополнительно выделяют тепло, что эквивалентно постоянному нагреву батареи.

Термическое насилие- относится к внешнему нагреву батареи, и как только тепло внутри батареи накапливается до определенной степени, возникает тепловой разгон.

На практике эти три события связаны между собой и происходят в цепочке.

Чтобы лучше понять тепловой разгон, давайте посмотрим на внутреннюю структуру литиевой батареи.

Литиевая батарея состоит из положительного электрода, отрицательного электрода и электролита. Внутри литиевой батареи существует разделение между положительным и отрицательным электродами, и нет прямой реакции со стороны двух электродов, в основном это химическая реакция самих электродов и между их соответствующими электролитами.

Реакция между положительным электродом и электролитом - Материал положительного электрода разработан на основе оксидов переходных металлов. Термическое разложение положительного электрода приводит к выделению большого количества кислорода, что является существенным фактором термического выхода из-под контроля. Углекислый газ CO2 будет производиться в больших количествах из-за присутствия кислорода, и одновременно будет дым C2H5F.

Реакция между отрицательным электродом и электролитом - Поверхность отрицательного электрода покрыта пленкой SEI (интерфейс твердого электролита), которая образуется во время первой зарядки и разрядки аккумулятора и имеет решающее значение для предотвращения прямой реакции между отрицательным электродом и электролитом. После разложения SEI отрицательный электрод будет непосредственно подвергаться воздействию электролита и вступать в реакцию с электролитом.

Реакция в электролите- Помимо реакции между электродами и электролитом, разлагается и сам электролит.

Различные химические реакции внутри литиевой батареи производят различные твердые продукты и газы и выделяют много тепла. Если произошел тепловой разгон, то его прекращением может быть только полное сгорание реагентов. Батарея содержит высокоэнергетические вещества в закрытом корпусе, и пожаротушение пока не может остановить продолжающийся тепловой выход.

На ранней стадии термического выхода литий-ионных батарей из-за медленных изменений характерных идентификационных параметров, таких как температура батареи, напряжение разряда и ток разряда, отказы батареи не могут быть обнаружены на ранней стадии с помощью современной BMS (системы управления батареями). А в это время электрохимическая реакция внутри аккумулятора будет выделять большое количество газообразных веществ.

Следовательно, теоретически возможно использовать датчики обнаружения газа для раннего предупреждения о температурном выходе литий-ионных батарей. Из внутренних химических реакций литиевых батарей обнаружено, что в процессе нагрева выделяются различные газы: O2, CO2, C2H4, C4H10, POF3, C2H5F, PF5, H2 и т. д.

Однако литиевые батареи также выделяют некоторые газы во время нормальной работы, такие как CO, C2H4 и C4H10, которые отличаются от газов, образующихся при повышении температуры. В соответствии со значительными различиями, такими как содержание газа, скорость смены газа и комплексный мониторинг типа газа, можно добиться более точного раннего предупреждения о перегреве литиевой батареи. В практических приложениях необходимо выбрать целевые датчики и установить соответствующие пороговые значения для оценки.

В настоящее время некоторые компании производят сопутствующие продукты в области обнаружения газа в сочетании с противопожарной защитой. Датчики Winsen для обнаружения теплового выхода из-под контроля широко используются для литиевых батарей, электромобилей, аккумуляторных батарей и станций, своевременно обнаруживают и контролируют изменение углекислого газа CO2, угарного газа CO, водорода H2, дыма, температуры и т. д.