Die Risiken verstehen: Thermisches Durchgehen und Sicherheitsmechanismen in Lithium-Ionen-Batterien

Forschungs Hintergrund

Die Einführung von Lithium-Ionen-Batterien war ein Wendepunkt für die moderne Technologie, da sie effiziente Energiespeicherlösungen für elektronische Produkte, Elektrofahrzeuge und eine Vielzahl anderer Anwendungen bieten. Allerdings hat der Aufstieg dieser Technologie eine Reihe von Sicherheitsbedenken mit sich gebracht, die durch eine Reihe von Vorfällen zunehmend offensichtlich geworden sind.

Bemerkenswerte Vorfälle wie die Brände des Samsung Note 7 Smartphones im Jahr 2016 und die Brände von Tesla-Autos in Shanghai im Jahr 2017 haben die potenziellen Gefahren von Lithium-Ionen-Batterien verdeutlicht. Diese Vorfälle waren durch Rauchentwicklung, spontane Entzündung und sogar Explosionen gekennzeichnet. Solche Sicherheitsvorfälle haben Alarmglocken in der Branche und bei den Verbrauchern läuten lassen und die dringende Notwendigkeit hervorgehoben, ein tieferes Verständnis für die mit diesen Batterien verbundenen Risiken zu entwickeln.

Die Vision 'Made in China 2025' und Sicherheit

Im Rahmen der Initiative "Made in China 2025" gibt es einen klaren Technologiefahrplan für Schlüsselbereiche, einschließlich der Entwicklung von Leistungsgeneratoren für neue Energiefahrzeuge. Die Ziele für 2020, 2025 und 2030 konzentrieren sich auf die Erhöhung der spezifischen Energie von Monomerbatterien, die Verlängerung der Lebensdauer und die Senkung der Kosten. Diese ehrgeizigen Ziele gehen Hand in Hand mit der Notwendigkeit verbesserter Sicherheitsmaßnahmen, da höhere Energiedichten potenziell die Risiken von thermischem Durchgehen und anderen gefährlichen Ereignissen erhöhen könnten.

Die Wissenschaft der Lithium-Ionen-Batterien und Risiken

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch die Bewegung von Lithium-Ionen zwischen der Kathode und der Anode. Während dieser Prozess normalerweise sicher ist, kann er unter bestimmten Bedingungen gefährlich werden. Zum Beispiel kann eine Überladung der Batterie zu Überhitzung oder sogar zu einem thermischen Durchgehen führen – einem Zustand, in dem die Batterie Wärme schneller erzeugt, als sie abgeben kann, was potenziell zu einem Brand oder einer Explosion führen kann.

Faktoren, die zu thermischem Durchgehen beitragen

Der 'Technische Fahrplan für Energieeinsparung und neue Energiefahrzeuge', der 2016 vom Ministerium für Industrie und Informationstechnologie veröffentlicht wurde, schlug spezifische Energieziele für die Batteriezellen von reinen Elektrofahrzeugen vor, die die Herausforderung darstellen, die Sicherheit zu gewährleisten und gleichzeitig diese hohen Energiedichteanforderungen zu erfüllen.

Thermisches Durchbrennen kann durch eine Vielzahl von Faktoren ausgelöst werden, einschließlich:

Prozessfaktoren: Dazu gehören Fehlstellungen der Pole, Grate an den Polstücken und ungleichmäßige Elektrolytausbreitung, die zu Kurzschlüssen führen können.

Materialfaktoren: Verunreinigungen in Materialien und exotherme Nebenreaktionen können zu einem Temperaturanstieg der Batterie führen.

Antragsprozess: Vibration, Sturz, Kollision, Überladung und Hochstromladung können alle zu potenziellen Risiken im Batteriesystem beitragen.

Die Anatomie des thermischen Durchgehens

Thermisches Durchgehen ist ein katastrophales Ereignis, das mehrere exotherme Reaktionen umfasst. Wenn die Temperatur einer Batterie ein kritisches Niveau überschreitet, kann dies zur Zersetzung der festen Elektrolytgrenzschicht (SEI) führen, was eine Reihe von Reaktionen katalysiert, die erhebliche Wärme erzeugen. Dazu gehören die Reduktion und Zersetzung des Elektrolyten, die thermische Zersetzung der geladenen positiven Elektrode und die Reaktion zwischen dem Binder und der hochreaktiven negativen Elektrode.

Sicherheitsmechanismen in Lithium-Ionen-Batterien

Um die Risiken zu mindern, wurden mehrere Sicherheitsmechanismen in das Design von Lithium-Ionen-Batterien integriert:

Shutdown Separator: Eine Sicherheitsfunktion, die den Ionfluss abschaltet, wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert erreicht, um weitere chemische Reaktionen zu verhindern.

Schutzschaltung: Batteriepacks enthalten häufig einen Steuer-IC, MOSFET und andere Geräte, um den Betrieb innerhalb eines sicheren Spannungsbereichs zu gewährleisten.

Flammhemmende Additive: Bestimmte Verbindungen können dem Elektrolyten hinzugefügt werden, um die Entflammbarkeit zu reduzieren.

Batteriemanagementsysteme (BMS): Diese Systeme überwachen den Zustand der Batterie und können Maßnahmen ergreifen, um gefährliche Bedingungen wie Überladung oder Überhitzung zu verhindern.

Sicherheitstests und Standards

Die Sicherheitstests sind ein entscheidender Bestandteil der Batterientwicklung, um sicherzustellen, dass Batterien eine Reihe von stressigen Bedingungen ohne Ausfall standhalten können. Zu den Tests gehören Überladung, externe Kurzschlüsse, Überstromladung, Hochtemperaturexposition und mechanische Stresstests wie Stoß-, Vibrations- und Schlagtests.

Ausblick auf Sicherheitsprobleme bei Batterien

Trotz der Risiken ist die fortwährende Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie unerlässlich. Sicherheitsprobleme bleiben ein erhebliches Hindernis bei der Entwicklung und Verbesserung der Energiedichte von Leistungsspeichern. Es ist entscheidend, dass die Branche weiterhin Sicherheits-technologien entwickelt und verbessert, um Kurzschlüsse, Überladung, thermisches Durchgehen und Nicht-Verbrennungs-Vorfälle zu verhindern. Die Forschung an neuen Lithium-Ionen-Systemen, einschließlich wässriger Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien, schreitet voran und könnte sicherere Alternativen zu den aktuellen Technologien bieten.

Fazit

Das Verständnis der mit Lithium-Ionen-Batterien verbundenen Risiken ist entscheidend für die weiterhin sichere Nutzung dieser leistungsstarken Energiespeichergeräte. Während wir die Grenzen der Batterietechnologie erweitern, um der wachsenden Nachfrage nach höheren Energiedichten und längeren Lebensdauern gerecht zu werden, müssen wir auch robuste Sicherheitsmechanismen innovieren und implementieren, um Benutzer und Eigentum vor den potenziellen Gefahren eines thermischen Durchgehens und anderen verwandten Risiken zu schützen. Nur durch die Balance dieser beiden Aspekte können wir die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien im neuen Energiesektor sichern.