La sicurezza delle batterie al litio ad alto contenuto di nichel è diventata un consenso, ma le batterie al litio a stato solido sono ora divise
Un mercato dei veicoli elettrici che rispetta la densità energetica ha posto enormi sfide alla sicurezza dei pacchi batteria e dei veicoli completi. Nel 2018 in Cina si sono verificati 52 incidenti di sicurezza per milione di veicoli elettrici. In termini di scene, la ricarica, la guida e il parcheggio sono tutte scene in cui si verificano incidenti di sicurezza.
Se si analizzano le ragioni, il 58% degli incidenti da incendio è causato dall'instabilità termica delle batterie al litio. Quasi il 90% delle fughe termiche è causato da cortocircuiti. A livello di cella, i materiali positivi e negativi, l'elettrolita e il diaframma sono il fusibile diretto per la fuga termica. Dopo il raggruppamento, il modo in cui sopprimere la diffusione termica nella progettazione strutturale, nel raffreddamento e nel controllo elettrico dipende dalla possibilità di ridurre o soffocare il rischio di fuga termica.
Dal 16 al 17 ottobre 2019 si è tenuta a Shanghai la conferenza 2019 Cina-Giappone-Corea sulla tecnologia delle batterie per veicoli di nuova generazione di nuova generazione. La conferenza è divisa in due forum, gli argomenti sono la sicurezza e le soluzioni termiche della batteria e la tecnologia delle chiavi delle batterie a stato solido e le sfide dell'industrializzazione.
Forum 1, OEM, aziende di batterie di alimentazione, rinomate università, laboratori e istituti di prova discuteranno le cause e le soluzioni per l'instabilità termica delle batterie ad alto contenuto di nichel mentre il livello di energia specifico delle batterie di alimentazione continua ad aumentare. Il Forum 2 riguarda l'analisi di diversi percorsi e status quo della tecnologia delle batterie a stato solido.
Sistema per vedere la sicurezza termica
L'intero ciclo di vita di una batteria di alimentazione inizia dalla selezione del sistema di materiale, al completamento della cella della batteria, allo stampaggio di moduli e PACK, alla gestione della batteria dopo l'installazione e l'applicazione, all'utilizzo nel funzionamento del veicolo.
La causa principale della fuga termica è la cella della batteria. Gli elettrodi positivo e negativo sono il"fusibile" e l'elettrolita è il"stoccaggio del carburante". Ha solo bisogno di un"scintilla" causare fughe termiche o incendi.
& quot;Scintille" o provengono dall'interno della cellula o sorgono dall'esterno. I fattori interni si riferiscono principalmente a fattori instabili generati durante la progettazione e la produzione della batteria; i fattori esterni si riferiscono principalmente a motivi causati dal personale e dalle condizioni esterne durante il trasporto, l'installazione, il funzionamento e la manutenzione della batteria.
Il guasto della sicurezza termica della batteria è principalmente causato da un surriscaldamento locale, che provoca un cortocircuito all'interno della batteria, oppure un micro cortocircuito provoca danni al diaframma della batteria e un cortocircuito su un'area più ampia.
Le batterie agli ioni di litio sono state aggiornate da NCM111 e NCM523 a NCM622 e NCM811. Il contenuto di nichel del materiale ternario dell'elettrodo positivo continua ad aumentare, la temperatura di rilascio dell'ossigeno continua a diminuire e la stabilità termica del materiale dell'elettrodo positivo sta peggiorando sempre di più. La diminuzione della temperatura di rilascio dell'ossigeno significa che la batteria al litio è più resistente al calore. All'aumentare della temperatura, il materiale dell'elettrodo positivo cambia da una struttura a strati a una struttura a spinello, quindi forma salgemma e rilascia ossigeno attivo. La crescita del salgemma e il rilascio di ossigeno sono i problemi fondamentali causati dalla fuga termica.
L'abuso elettrochimico è il problema più mal di testa per le fabbriche di celle di batterie. In condizioni di abuso come shock termico, sovraccarico e sovrascarica, il materiale attivo e l'elettrolita all'interno della batteria produrranno dendriti di litio, che perforano il diaframma e causano un cortocircuito interno. L'evoluzione del litio nell'elettrodo negativo è una delle principali cause della crescita dei dendriti di litio. Pertanto, come prevenire i dendriti di litio è una questione importante.
Il cortocircuito degli elettrodi positivo e negativo causato dal guasto del diaframma è una parte importante dell'instabilità termica. Quando la pellicola di sicurezza della pellicola SEI viene distrutta, l'elettrolita reagisce con l'elettrodo per generare calore, che fonderà il diaframma. Inoltre, il nemico di fronte al diaframma sono i dendriti di litio, che ne minacciano l'integrità e la stabilità.
Oltre al guasto della batteria causato da cortocircuito interno, sovraccarico, invecchiamento della batteria, ecc., anche il guasto meccanico in condizioni estreme come cortocircuito esterno, estrusione, incendio, immersione e collisione simulata verrà convertito in cortocircuito interno e causerà guasto, che alla fine porterà alla fuga termica.
Alcuni guasti e degrado delle prestazioni che possono verificarsi durante l'intero ciclo di vita della batteria' causeranno l'utilizzo delle batterie oltre l'intervallo di utilizzo sicuro e causeranno alcuni incidenti di sicurezza.
La fabbrica di batterie e l'OEM lavorano insieme
Le cause interne ed esterne dell'instabilità termica richiedono la collaborazione dei produttori di batterie e degli OEM per fornire una soluzione globale, inclusi materiali positivi e negativi, separatori, elettroliti, gestione della batteria e progettazione della struttura del PACK.
Per le fabbriche di batterie, cercare elettroliti ignifughi resistenti alle alte pressioni e alle alte temperature, materiali a catodo a cristallo singolo resistenti alle alte temperature, materiali anodici che inibiscono i dendriti di litio o utilizzare catodi NMC811 rivestiti con agenti di protezione per migliorare l'essiccazione. L'applicazione del diaframma francese introduce un diaframma in ceramica per sopprimere l'instabilità termica a livello della cella.
Per gli OEM, prestare attenzione alla sicurezza della batteria stessa è tutt'altro che sufficiente. Oltre ai problemi della batteria stessa, il collegamento elettrico della batteria, la sicurezza meccanica, il collegamento di ricarica, i problemi di utilizzo quotidiano e la rapida gestione dei problemi sono il fulcro della sicurezza dei veicoli elettrici.
Il sistema di protezione della batteria di alimentazione dell'OEM' è progettato e verificato da quattro aspetti: monomero, modulo, BMS e sistema. Da un lato, gli stessi produttori di batterie garantiscono la sicurezza dai collegamenti di progettazione e produzione. D'altro canto, gli OEM considerano la sicurezza meccanica, elettrica e termica dal punto di vista della sicurezza dei moduli, come la distanza di sicurezza, la progettazione delle forze e la protezione.
In termini di struttura di assemblaggio, gli OEM devono considerare le varie condizioni operative del veicolo, nonché le tubazioni di raffreddamento, le nuove tecnologie di raffreddamento, l'avvertimento tempestivo dell'instabilità termica e la non proliferazione. Allo stesso tempo, devono considerare l'estinzione attiva degli incendi e come estinguere gli incendi attraverso strutture esterne.
Gli OEM generalmente pensano a come migliorare la progettazione della sicurezza del pacco batteria a livello di sistema. Che si tratti di materiali per elettrodi positivi e negativi, elettroliti, diaframmi, progettazione strutturale, raffreddamento, gestione termica e avvertenze precauzionali del PACK dopo il gruppo sono tutti oggetti di analisi OEM.
La sicurezza delle batterie al litio è un grande argomento, che coinvolge tutti gli aspetti dai materiali, dalla produzione alle applicazioni. Garantire la sicurezza termica dei veicoli elettrici richiede la cooperazione di OEM, fabbriche di batterie e istituti di prova per analizzare il meccanismo dell'instabilità termica ed esplorare nuove tecnologie per ritardare il verificarsi dell'instabilità termica.
Suoni diversi delle batterie a stato solido
Il movimento in avanti dei veicoli elettrici indica che lo standard energetico specifico delle batterie di alimentazione non andrà indietro. L'applicazione di materiali positivi e negativi ad alto potenziale è diventata una tendenza e NCM811 e anodi di carbonio di silicio stanno comparendo sempre più nei percorsi tecnici delle fabbriche di batterie. Ma il rischio di incendio minaccia ancora l'applicazione di batterie ad alto contenuto di nichel. Pertanto, i produttori di batterie e gli OEM hanno rivolto la loro attenzione agli elettroliti allo stato solido ignifughi e resistenti alle alte pressioni, sperando di risolvere il problema dell'equilibrio tra energia specifica e sicurezza.
Tuttavia, in questa conferenza Cina-Giappone-Corea, le opinioni degli ospiti cinesi e giapponesi sulla ricerca e l'applicazione delle batterie a stato solido sono molto diverse, mettendo in discussione le opinioni intrinseche dell'industria sulle batterie a stato solido . Rispetto agli sforzi concertati del sito della soluzione di sicurezza ad alto contenuto di nichel, il sito della batteria a stato solido sta avanzando con differenze.
Tadahiko Kubota, esperto di batterie a stato solido da 30 anni in Giappone, Ogi Eiki, ex esperto giapponese di batterie a stato solido Toyota e Honda, commenta lo stato attuale della ricerca sulle batterie a stato solido può essere descritto come"pessimista" ;. È abbastanza difficile applicare le batterie allo stato solido ai veicoli elettrici. D'altra parte, le fabbriche di batterie domestiche come Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, l'Accademia cinese delle scienze, l'Università di Tongji e l'Università Jiaotong di Shanghai stanno tutte lavorando instancabilmente alle batterie a stato solido.
Le opinioni degli esperti giapponesi possono essere riassunte come segue: Toyota Sulfide è ancora in fase di ricerca e sviluppo e la produzione di massa è impossibile con l'attuale livello di tecnologia. La sua intenzione originale di sviluppare batterie a stato solido era ridurre le batterie per i veicoli ibridi. Il mondo esterno crede erroneamente che le batterie a stato solido siano utilizzate nei veicoli elettrici. Questa è la differenza tra il pensiero interno di Toyota'e l'opinione pubblica esterna.
In termini di sicurezza, le batterie a stato solido possono anche produrre dendriti di litio e la sicurezza è molto preoccupante. E giudicare la sua sicurezza non può essere giudicato dal fatto che l'elettrolita sia infiammabile. Il problema più importante è il contatto diretto tra l'elettrodo positivo e l'elettrodo negativo ad alta densità di energia.
Le batterie completamente allo stato solido possono aumentare la densità di energia, uno dei motivi è che i materiali esterni possono essere ridotti. Ma questa non è solo una caratteristica delle batterie a stato solido.
In termini di ricarica rapida, l'articolo di Toyota' e la maggior parte dei ricercatori non hanno confermato alcuna prova che tutte le batterie a stato solido possano essere caricate rapidamente. Tutti hanno detto che i dendriti di litio si formano durante la carica. Più persone capiscono le batterie a stato solido, più negano che possano essere caricate rapidamente.
La maggior parte dei brevetti di Toyota'nell'ultimo decennio sono relativi all'impedenza. Ha studiato questo problema da dieci anni fa, ed è ancora un grosso problema.
Viste delle fabbriche di batterie domestiche: la diffusione di incendi reali è direttamente correlata agli elettroliti liquidi organici. Gli elettroliti solidi che vanno dai polimeri agli elettroliti ceramici possono migliorare la sicurezza della batteria a vari livelli. In termini di sicurezza e densità energetica, le batterie a stato solido sono state migliorate rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio in passato. La premessa è che dobbiamo disporre di una buona tecnologia per risolvere il problema dell'interfaccia e garantire che l'elettrolita solido possa adattarsi al design della batteria e soddisfare i requisiti della batteria di energia ad alto rapporto.
Riteniamo che le batterie a stato solido presentino vantaggi in alcuni aspetti. Quando il diaframma e l'elettrolita vengono sostituiti con sostanze solide, avrà una maggiore sicurezza. Quando la soglia di sicurezza dell'intero sistema viene aumentata, questo sistema può utilizzare materiali positivi e negativi ad alto potenziale, come elettrodi negativi in metallo di litio, e avrà una densità di energia più elevata in futuro.
L'idea attuale è quella di essere il più possibile compatibili con le apparecchiature esistenti per le batterie al litio e la tecnologia delle batterie al litio e di ridurre il più possibile i costi. Poiché le batterie a stato solido hanno un'elevata densità di energia e un'elevata sicurezza, possono essere utilizzate per prime in alcune situazioni speciali.
Il vantaggio della densità di energia delle batterie a stato solido non è relativamente ovvio a livello di cella ed è più evidente a livello di PACK. Entro il 2021, le batterie a stato solido utilizzeranno materiali attivi con tassi di utilizzo più elevati e la densità di energia a livello di cella sarà la stessa di quella delle batterie liquide, per poi gradualmente superarla.
Sebbene esperti nazionali ed esteri abbiano controversie sulla densità energetica e sulla sicurezza delle batterie allo stato solido, credono fondamentalmente che l'applicazione commerciale delle batterie allo stato solido sia un lungo processo per risolvere alcune delle carenze delle batterie liquide. Pertanto, le batterie a stato solido possono essere importate prima dai settori delle motociclette e dell'elettronica di consumo, quindi entrare nel campo dei veicoli elettrici quando le tre dimensioni della sicurezza, delle prestazioni e dei costi sono mature.
