ایمنی باتری لیتیومی

باتری‌های لیتیومی مزایای قابل حمل و شارژ سریع دارند، پس چرا باتری‌های سرب اسید و دیگر باتری‌های ثانویه هنوز در بازار در گردش هستند؟
علاوه بر مشکلات هزینه و زمینه های مختلف کاربردی، دلیل دیگر امنیت است.
لیتیوم فعال ترین فلز در جهان است.از آنجا که ویژگی های شیمیایی آن بیش از حد فعال است، هنگامی که فلز لیتیوم در معرض هوا قرار می گیرد، واکنش اکسیداسیون شدیدی با اکسیژن خواهد داشت، بنابراین مستعد انفجار، احتراق و سایر پدیده ها است.علاوه بر این، واکنش ردوکس نیز در داخل باتری لیتیومی در هنگام شارژ و دشارژ رخ می دهد.انفجار و احتراق خود به خود عمدتاً در اثر تجمع، انتشار و آزاد شدن باتری لیتیومی پس از گرم شدن ایجاد می شود.به طور خلاصه، باتری‌های لیتیومی در طول فرآیند شارژ و دشارژ، گرمای زیادی تولید می‌کنند که منجر به افزایش دمای داخلی باتری و دمای ناهموار بین باتری‌ها می‌شود و در نتیجه باعث عملکرد ناپایدار باتری می‌شود.
رفتارهای ناایمن باتری لیتیوم یونی فرار حرارتی (شامل شارژ و دشارژ بیش از حد باتری، شارژ و دشارژ سریع، اتصال کوتاه، شرایط سوء مکانیکی، شوک حرارتی با دمای بالا و غیره) احتمالاً واکنش‌های جانبی خطرناکی را در داخل باتری ایجاد می‌کند و گرما ایجاد می‌کند. آسیب مستقیم به فیلم غیرفعال روی الکترود منفی و سطح الکترود مثبت.
دلایل زیادی برای ایجاد حوادث فرار حرارتی باتری های لیتیوم یون وجود دارد.با توجه به ویژگی های تحریک، می توان آن را به تحریک سوء استفاده مکانیکی، تحریک سوء استفاده الکتریکی و تحریک سوء استفاده حرارتی تقسیم کرد.سوء استفاده مکانیکی: به طب سوزنی، اکستروژن و ضربه جسم سنگین ناشی از برخورد وسیله نقلیه اشاره دارد.سوء استفاده از برق: عموماً به دلیل مدیریت نامناسب ولتاژ یا خرابی قطعات الکتریکی، از جمله اتصال کوتاه، شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد ایجاد می شود.سوء استفاده از گرما: ناشی از گرمای بیش از حد ناشی از مدیریت نامناسب دما.

این سه روش تحریک به هم مرتبط هستند.سوء استفاده مکانیکی به طور کلی باعث تغییر شکل یا پارگی دیافراگم باتری می شود که در نتیجه تماس مستقیم بین قطب های مثبت و منفی باتری و اتصال کوتاه و در نتیجه سوء استفاده از برق ایجاد می شود.با این حال، در شرایط سوء استفاده از برق، تولید گرما مانند گرمای ژول افزایش می‌یابد و باعث افزایش دمای باتری می‌شود که به سوء استفاده از گرما تبدیل می‌شود، واکنش جانبی تولید گرما از نوع زنجیره‌ای را در داخل باتری ایجاد می‌کند و در نهایت منجر به وقوع می‌شود. گرمای باتری فرار می کند
فرار حرارتی باتری به این دلیل است که نرخ تولید گرمای باتری بسیار بیشتر از سرعت اتلاف گرما است و گرما به مقدار زیادی انباشته می شود اما در زمان دفع نمی شود.در اصل، "فرار حرارتی" یک فرآیند چرخه بازخورد انرژی مثبت است: افزایش دما باعث گرم شدن سیستم می شود و بعد از گرم شدن سیستم دما افزایش می یابد که به نوبه خود باعث گرمتر شدن سیستم می شود.
فرآیند فرار حرارتی: هنگامی که دمای داخلی باتری بالا می رود، فیلم SEI روی سطح فیلم SEI در دمای بالا تجزیه می شود، یون لیتیوم تعبیه شده در گرافیت با الکترولیت و بایندر واکنش می دهد و دمای باتری را بیشتر می کند. تا 150 درجه سانتیگراد، و یک واکنش گرمازایی شدید جدید در این دما رخ خواهد داد.هنگامی که دمای باتری به بالای 200 درجه می رسد، مواد کاتد تجزیه می شود و مقدار زیادی گرما و گاز آزاد می شود و باتری شروع به برآمدگی می کند و به طور مداوم گرم می شود.آند تعبیه شده لیتیوم در دمای 250-350 درجه سانتیگراد شروع به واکنش با الکترولیت کرد.ماده کاتد شارژ شده شروع به واکنش تجزیه شدید می کند و الکترولیت تحت واکنش اکسیداسیون شدید قرار می گیرد و مقدار زیادی گرما آزاد می کند و دمای بالا و مقدار زیادی گاز تولید می کند و باعث احتراق و انفجار باتری می شود.
مشکل رسوب دندریت لیتیوم در هنگام شارژ بیش از حد: پس از شارژ کامل باتری لیتیوم کوبالات، مقدار زیادی یون لیتیوم در الکترود مثبت باقی می ماند.به این معنا که کاتد نمی تواند یون های لیتیوم بیشتری را که به کاتد متصل است نگه دارد، اما در حالت شارژ بیش از حد، یون های لیتیوم اضافی روی کاتد همچنان به سمت کاتد شنا می کنند.از آنجایی که نمی توان آنها را به طور کامل مهار کرد، لیتیوم فلزی روی کاتد تشکیل می شود.از آنجایی که این فلز لیتیوم یک کریستال دندریتی است، به آن دندریت می گویند.اگر دندریت بیش از حد طولانی باشد، سوراخ کردن دیافراگم آسان است و باعث اتصال کوتاه داخلی می شود.از آنجایی که جزء اصلی الکترولیت کربنات است، نقطه اشتعال و نقطه جوش آن پایین است، بنابراین در دمای بالا می سوزد یا حتی منفجر می شود.

اگر باتری لیتیومی پلیمری باشد، الکترولیت کلوئیدی است که مستعد احتراق شدیدتر است.برای حل این مشکل، دانشمندان سعی می کنند مواد کاتدی ایمن تری را جایگزین کنند.مواد باتری لیتیوم منگنات دارای مزایای خاصی است.می تواند اطمینان حاصل کند که یون لیتیوم الکترود مثبت را می توان به طور کامل در سوراخ کربن الکترود منفی در حالت بار کامل جاسازی کرد، به جای اینکه بقایای خاصی در الکترود مثبت مانند لیتیوم کبالات وجود داشته باشد، که تا حدی از تولید الکترود جلوگیری می کند. دندریت هاساختار پایدار منگنات لیتیوم باعث می شود عملکرد اکسیداسیون آن بسیار کمتر از لیتیوم کبالات باشد.حتی اگر یک اتصال کوتاه خارجی (به جای اتصال کوتاه داخلی) وجود داشته باشد، اساساً می تواند از احتراق و انفجار ناشی از بارش فلز لیتیوم جلوگیری کند.فسفات آهن لیتیوم دارای پایداری حرارتی بالاتر و ظرفیت اکسیداسیون کمتر الکترولیت است، بنابراین ایمنی بالایی دارد.
کاهش پیری باتری لیتیوم یونی با تضعیف ظرفیت و افزایش مقاومت داخلی آشکار می شود و مکانیسم تضعیف پیری داخلی آن شامل از دست دادن مواد فعال مثبت و منفی و از دست دادن یون های لیتیوم موجود است.هنگامی که مواد کاتد کهنه و پوسیده می شود و ظرفیت کاتد ناکافی است، خطر تکامل لیتیوم از کاتد بیشتر می شود.در شرایط تخلیه بیش از حد، پتانسیل کاتد به لیتیوم به بالای 3 ولت افزایش می یابد که از پتانسیل انحلال مس بیشتر است و باعث انحلال کلکتور مس می شود.یون‌های مس محلول روی سطح کاتد رسوب کرده و دندریت‌های مس را تشکیل می‌دهند.دندریت های مس از دیافراگم عبور می کنند و باعث اتصال کوتاه داخلی می شوند که به طور جدی بر عملکرد ایمنی باتری تأثیر می گذارد.
علاوه بر این، مقاومت شارژ بیش از حد باتری‌های قدیمی تا حدودی کاهش می‌یابد که عمدتاً به دلیل افزایش مقاومت داخلی و کاهش مواد فعال مثبت و منفی و در نتیجه افزایش گرمای ژول در طول فرآیند شارژ بیش از حد باتری‌ها است.در صورت شارژ بیش از حد کمتر، واکنش‌های جانبی ممکن است ایجاد شود و باعث فرار حرارتی باتری‌ها شود.از نظر پایداری حرارتی، تکامل لیتیوم از کاتد منجر به کاهش شدید پایداری حرارتی باتری خواهد شد.
در یک کلام، عملکرد ایمنی باتری قدیمی بسیار کاهش می یابد که ایمنی باتری را به طور جدی به خطر می اندازد.رایج ترین راه حل، تجهیز سیستم ذخیره انرژی باتری به سیستم مدیریت باتری (BMS) است.به عنوان مثال، 8000 باتری 18650 مورد استفاده در تسلا مدل S می‌تواند نظارت بر پارامترهای فیزیکی مختلف باتری را در زمان واقعی انجام دهد، وضعیت استفاده از باتری را ارزیابی کند و از طریق سیستم مدیریت باتری آن، تشخیص آنلاین و هشدار اولیه را انجام دهد.در عین حال، می تواند کنترل تخلیه و پیش شارژ، مدیریت تعادل باتری و مدیریت حرارتی را نیز انجام دهد.