提高鋰離子電池安全性的技術(shù)解決方案第二部分

我希望設(shè)計(jì)人員在這里獲得一些見解，這可能有助于防止鋰離子電池在未來在所有類型的環(huán)境和產(chǎn)品中起火;至少 直到未來 某個 時間 發(fā)現(xiàn) 一種 新 的 成分 電池.

重要的是要找到一種滅火劑，它能撲滅大火并與鋰離子電池的化學(xué)成分、其電極以及電池艙中的任何其他材料發(fā)生適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。對三種滅火劑進(jìn)行了測試、評估和比較，以了解它們在抑制火災(zāi)和熱失控反應(yīng)方面的性能。以前的研究表明哈龍是一種滅火劑，但它的臭氧破壞作用使這種解決方案脫離了可行材料的范疇。

這些測試讓我感到不安的是，他們觀察到電池實(shí)際上在大約兩分鐘內(nèi)被外部火災(zāi)點(diǎn)燃并持續(xù)了超過 24 分鐘。此外，電池同時進(jìn)入熱失控狀態(tài)，即使在電池自行熄滅后仍持續(xù)存在。多么大的挑戰(zhàn)!

結(jié)果表明，鋰離子電池起火的原因不僅在于電解質(zhì)的可燃性，還包括更復(fù)雜的熱失控反應(yīng)。因此，即使電池火焰被惰性窒息氣體滅火劑抑制，電池內(nèi)部溫度也會重新點(diǎn)燃電池，導(dǎo)致電池級聯(lián)熱失控現(xiàn)象發(fā)生爆炸，甚至釋放大量白煙。

這些測試中使用的滅火劑是二氧化碳、超細(xì)粉末和七氟丙烷。在這三者中，只有七氟丙烷在兩個單獨(dú)的測試中可以防止電池重新點(diǎn)燃、爆炸和熱失控。其他兩個特工的表現(xiàn)并不好。這些測試的結(jié)果表明，鋰離子電池外殼需要不易燃或至少具有阻燃性。此外，應(yīng)考慮單個電池、電池細(xì)分或組的溫度控制。

監(jiān)控電池健康：電池管理系統(tǒng) (BMS)

著眼于估計(jì)電池內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)以測量電池退化程度的問題，這是確保電池安全高效運(yùn)行的另一種手段。對電池退化的評估將有助于電池的使用壽命預(yù)測，但這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。作者使用獨(dú)特的控制理論方法，將電池的退化視為故障診斷研究。

這種模型方法的目標(biāo)是故障檢測、隔離和調(diào)節(jié) (FDIA)，它是針對突然故障或故障開始跡象的動態(tài)系統(tǒng)建模。目標(biāo)是確保電池系統(tǒng)在較長時間內(nèi)繼續(xù)安全、高效和自主地運(yùn)行。使用基于參數(shù)估計(jì)和/或通過使用觀察器和過濾方法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的殘差生成技術(shù)被認(rèn)為是這項(xiàng)工作的最佳分析工具。

鋰離子電池包含三個主要部件：正極、負(fù)極和電解液。電池內(nèi)部的電解質(zhì)位于多孔隔板中，允許鋰離子在電池正極和負(fù)極之間轉(zhuǎn)移。在電池的充電或放電期間發(fā)生一個過程，鋰離子從正極中提取(或插入)并插入(或從負(fù)極提取)。電極由隔板電隔離。

電池退化 被定義為電池特性的不可逆變化。電池故障可能是初期(漸進(jìn)的)或突發(fā)事件。在突發(fā)事件中，通常會出現(xiàn)由 BMS 或其他外部電路監(jiān)控和控制的過充電、過放電、短路等。另一方面，逐漸發(fā)生的故障可能不會立即對電池的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，但隨著時間的推移可能會導(dǎo)致故障。本文使用控制和電化學(xué)兩個方面來處理這種情況。已確定頻率方法已被證明在表征該區(qū)域的電池退化方面最有效。

在這個漸進(jìn)效果領(lǐng)域，大部分工作都是離線的，而不是實(shí)時分析。研究人員選擇了具有時域分析的在線應(yīng)用程序，以研究兩種常見的退化機(jī)制，并在每種情況下選擇正確的監(jiān)測方法。這些是電鍍機(jī)制和正極溶解，兩者都會降低電池壽命和耐用性。

這就是粒子過濾方法發(fā)揮作用的地方。兩種狀態(tài)的估計(jì)，即充電狀態(tài)(它是固體活性材料濃度的函數(shù))和固體/電解質(zhì)相電位和參數(shù)(正極活性材料的體積分?jǐn)?shù))是必要的，以允許故障檢測。

下一步將是該分析的預(yù)計(jì)發(fā)展到其他降解機(jī)制，如陽極上的成膜、應(yīng)力積聚等，并最終將所有這些研究信息嵌入到一個框架中，以進(jìn)一步研究電池的壽命狀態(tài)。電池。

EV 和 PHEV

很明顯，電池是駕駛電動汽車的主要絆腳石。盡管這里的電池比智能手機(jī)中的電池大得多，但由于鋰離子電池的固有技術(shù)及其化學(xué)成分，類似的問題仍然存在。這里的罪魁禍?zhǔn)资请姵鼐?，因?yàn)榇蟠姵?通常是 100 個)提供約 360V 的電壓。請注意，鋰可充電電池仍不夠成熟或具有成本效益，無法在 EV 和 PHEV 中廣泛使用——加上易燃性和循環(huán)壽命仍然是絆腳石。

這里還有更多與循環(huán)壽命和日歷壽命有關(guān)的問題?；诹姿徼F鋰 (LiFePO 4 ) 的新型電池可以承受 1,000 次循環(huán)，并且正在測試表明未來電動汽車使用可能達(dá)到 6 到 7,000 次循環(huán)。這種化學(xué)物質(zhì)的一個缺點(diǎn)是能量密度略低，為 100 Wh/kg。

在維護(hù)安全方面發(fā)揮重要作用的主要因素是在開發(fā)過程中使用高質(zhì)量的材料和安全監(jiān)控。然后，我們還需要持續(xù)監(jiān)控電池電流、電池電壓、溫度，并采取任何最終的糾正措施將有助于顯著提高系統(tǒng)的安全性。

在 EV 和 PHEV 中，更智能的解決方案依賴于電力電子電池均衡器。這種架構(gòu)不僅可以提高電池的循環(huán)壽命(壽命結(jié)束前的充放電循環(huán)次數(shù))，還可以提高它們的日歷壽命(完全充電和無循環(huán)到壽命結(jié)束的時間)、功率、和安全。

我希望本文中的一些見解將激發(fā)創(chuàng)造性的工程思維，以開發(fā)解決鋰離子電池故障的解決方案，尤其是火災(zāi)和爆炸，這將阻礙良好的便攜式和手持產(chǎn)品以及急需的高效儲能系統(tǒng)和電動汽車.

請?jiān)谙路教砑幽脑u論和想法，并開始與我們的聽眾進(jìn)行討論，以幫助為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的強(qiáng)大工程解決方案開辟道路。