Hohe Sicherheit von Nickel-Lithium-Batterien ist zu einem Konsens geworden, aber Festkörper-Lithiumbatterien sind jetzt geteilt
Ein Elektrofahrzeugmarkt, der die Energiedichte respektiert, hat die Sicherheit von Batteriepacks und kompletten Fahrzeugen vor große Herausforderungen gestellt. Im Jahr 2018 gab es in China 52 Sicherheitsunfälle pro Million Elektrofahrzeuge. In Bezug auf Szenen sind Laden, Fahren und Parken alle Szenen, in denen Sicherheitsunfälle auftreten.
Wenn die Gründe analysiert werden, werden 58 % der Brandunfälle durch thermisches Durchgehen von Lithiumbatterien verursacht. Fast 90 % des thermischen Durchgehens werden durch Kurzschlüsse verursacht. Auf Zellebene sind die positiven und negativen Materialien, Elektrolyt und Diaphragma die direkte Sicherung für thermisches Durchgehen. Nach der Gruppierung hängt das Unterdrücken der Wärmediffusion bei der Konstruktion, Kühlung und elektrischen Steuerung davon ab, ob das Risiko eines thermischen Durchgehens verringert oder unterdrückt werden kann.
Vom 16. bis 17. Oktober 2019 fand in Shanghai die China-Japan-Korea Next Generation New Energy Vehicle Battery Technology Conference 2019 statt. Die Konferenz ist in zwei Foren unterteilt, die Themen sind thermische Sicherheit und Lösungen von Batterien sowie Schlüsseltechnologie und Industrialisierungsherausforderungen für Festkörperbatterien.
Forum 1, OEMs, Power-Batterie-Unternehmen, namhafte Universitäten, Labore und Testinstitute diskutieren die Ursachen und Lösungen für das thermische Durchgehen von High-Nickel-Batterien, da das spezifische Energieniveau von Power-Batterien weiter ansteigt. Forum 2 befasst sich mit der Analyse verschiedener Routen und des Status Quo der Festkörperbatterietechnologie.
System, um die thermische Sicherheit zu sehen
Der gesamte Lebenszyklus einer Power-Batterie beginnt von der Auswahl des Materialsystems, über die Fertigstellung der Batteriezelle, das Formen von Modulen und PACKs, das Batteriemanagement nach Einbau und Anwendung, bis hin zum Einsatz im Fahrzeugbetrieb.
Die Hauptursache für Thermal Runaway ist die Batteriezelle. Die positiven und negativen Elektroden sind die"Sicherung" und der Elektrolyt ist der"Kraftstoffspeicher". Es braucht nur einen"Funken" thermisches Durchgehen oder Feuer verursachen.
& quot;Funken" kommen entweder aus dem Inneren der Zelle oder entstehen von außen. Interne Faktoren beziehen sich hauptsächlich auf instabile Faktoren, die während der Batteriekonstruktion und -herstellung erzeugt werden; externe Faktoren beziehen sich hauptsächlich auf Gründe, die durch das Personal und die äußeren Bedingungen während des Transports, der Installation sowie des Betriebs und der Wartung der Batterie verursacht werden.
Der thermische Sicherheitsausfall der Batterie wird hauptsächlich durch lokale Überhitzung verursacht, die einen Kurzschluss im Inneren der Batterie verursacht, oder ein Mikrokurzschluss verursacht eine Beschädigung der Batteriemembran und einen großflächigen Kurzschluss.
Lithium-Ionen-Akkus wurden von NCM111 und NCM523 auf NCM622 und NCM811 aufgerüstet. Der Nickelgehalt des ternären Materials der positiven Elektrode nimmt weiter zu, die Sauerstofffreisetzungstemperatur sinkt weiter und die thermische Stabilität des Materials der positiven Elektrode wird immer schlechter. Die Verringerung der Sauerstofffreisetzungstemperatur bedeutet, dass die Lithiumbatterie hitzebeständiger ist. Mit steigender Temperatur ändert sich das positive Elektrodenmaterial von einer Schichtstruktur in eine Spinellstruktur, bildet dann Steinsalz und setzt aktiven Sauerstoff frei. Das Wachstum von Steinsalz und die Freisetzung von Sauerstoff sind die grundlegenden Probleme, die durch Thermal Runaway verursacht werden.
Elektrochemischer Missbrauch ist das größte Kopfzerbrechen für Batteriezellenfabriken. Unter Missbrauchsbedingungen wie Thermoschock, Überladung und Tiefentladung produzieren das aktive Material und der Elektrolyt in der Batterie Lithium-Dendriten, die das Diaphragma durchdringen und einen internen Kurzschluss verursachen. Die Lithiumentwicklung in der negativen Elektrode ist eine Hauptursache für das Wachstum von Lithiumdendriten. Daher ist es ein wichtiges Thema, wie Lithiumdendriten verhindert werden können.
Der Kurzschluss der positiven und negativen Elektroden, der durch den Ausfall des Diaphragmas verursacht wird, ist ein wichtiger Teil des thermischen Durchgehens. Wenn der Sicherheitsfilm des SEI-Films zerstört wird, reagiert der Elektrolyt mit der Elektrode und erzeugt Wärme, die das Diaphragma schmilzt. Darüber hinaus sind Lithium-Dendriten der Feind, der dem Zwerchfell gegenübersteht, was seine Integrität und Stabilität bedroht.
Zusätzlich zum Batterieausfall durch internen Kurzschluss, Überladung, Batteriealterung usw Versagen, was schließlich zu einem thermischen Durchgehen führt.
Einige Fehler und Leistungseinbußen, die während des gesamten Lebenszyklus der Batterie' auftreten können, führen dazu, dass die Batterien über den sicheren Verwendungsbereich hinaus verwendet werden und einige Sicherheitsunfälle verursachen.
Batteriefabrik und OEM arbeiten zusammen
Die internen und externen Ursachen des thermischen Durchgehens erfordern die Zusammenarbeit von Batterieherstellern und OEMs, um eine Gesamtlösung bereitzustellen, einschließlich positiver und negativer Materialien, Separatoren, Elektrolyt, Batteriemanagement und PACK-Strukturdesign.
Suchen Sie für Batteriefabriken nach hochdruck- und hochtemperaturbeständigen flammhemmenden Elektrolyten, hochtemperaturbeständigen Einkristall-Kathodenmaterialien, Anodenmaterialien, die Lithium-Dendriten hemmen, oder verwenden Sie NMC811-Kathoden, die mit Safenern beschichtet sind, um die Trockenheit zu verbessern. Die Anwendung des französischen Diaphragmas führt ein Keramikdiaphragma ein, um das thermische Durchgehen auf Zellebene zu unterdrücken.
Für OEMs reicht es bei weitem nicht aus, auf die Sicherheit der Batterie selbst zu achten. Neben den Problemen der Batterie selbst sind die elektrische Verbindung der Batterie, die mechanische Sicherheit, die Ladeverbindung, Probleme im täglichen Gebrauch und die schnelle Handhabung von Problemen der Kern der Sicherheit von Elektrofahrzeugen.
OEM's Leistungsbatterie-Sicherheitsschutzsystem wurde unter vier Aspekten entwickelt und verifiziert: Monomer, Modul, BMS und System. Einerseits sorgen die Batteriehersteller selbst für Sicherheit aus den Konstruktions- und Fertigungsverbindungen. Andererseits betrachten OEMs mechanische, elektrische und thermische Sicherheit aus Sicht der Modulsicherheit, wie Sicherheitsabstand, Kraftauslegung und Schutz.
In Bezug auf die Montagestruktur müssen OEMs verschiedene Betriebsbedingungen des Fahrzeugs sowie Kühlleitungen, neue Kühltechnologien, Frühwarnung vor thermischem Durchgehen und Nichtverbreitung berücksichtigen. Gleichzeitig müssen sie die aktive Feuerlöschung und das Löschen von Bränden durch externe Strukturen berücksichtigen.
OEMs überlegen im Allgemeinen, wie sie das Design der Batteriepack-Sicherheit auf Systemebene verbessern können. Ob positive und negative Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Diaphragmen, das strukturelle Design, Kühlung, Wärmemanagement und Vorsichtshinweise des PACK nach der Gruppe sind alle Objekte der OEM-Analyse.
Die Sicherheit von Lithiumbatterien ist ein großes Thema, das alle Aspekte von Materialien, Produktion bis hin zu Anwendungen umfasst. Die Gewährleistung der thermischen Sicherheit von Elektrofahrzeugen erfordert die Zusammenarbeit von OEMs, Batteriefabriken und Prüfinstituten, um den Mechanismus des thermischen Durchgehens zu analysieren und neue Technologien zu erforschen, um das Auftreten von thermischem Durchgehen zu verzögern.
Unterschiedliche Geräusche von Festkörperbatterien
Die Vorwärtsbewegung von Elektrofahrzeugen zeigt, dass der spezifische Energiestandard von Strombatterien nicht zurückgehen wird. Die Verwendung von positiven und negativen Materialien mit hohem Potenzial ist zu einem Trend geworden, und NCM811 und Silizium-Kohlenstoff-Anoden tauchen zunehmend in den technischen Routen von Batteriefabriken auf. Aber die Brandgefahr droht immer noch beim Einsatz von Hochnickelbatterien. Batteriehersteller und OEMs haben daher ihr Augenmerk auf flammgeschützte, hochdruckbeständige Festkörperelektrolyte gerichtet, um das Problem der Balance zwischen spezifischer Energie und Sicherheit zu lösen.
Bei dieser China-Japan-Korea-Konferenz sind die Ansichten der chinesischen und japanischen Gäste zur Erforschung und Anwendung von Festkörperbatterien jedoch sehr unterschiedlich und stellen die inhärenten Ansichten der Branche zu Festkörperbatterien in Frage . Im Vergleich zu den konzertierten Bemühungen des Standorts für Sicherheitslösungen mit hohem Nickelgehalt entwickelt sich der Standort für Festkörperbatterien mit Unterschieden.
Japans 30-jähriger Festkörperbatterie-Experte Dr. Tadahiko Kubota, Japans ehemaliger Toyota- und Honda-Batteriekern-Experte Ogi Eiki, kommentiert den aktuellen Stand der Festkörperbatterie-Forschung als"pessimistisch" ;. Es ist ziemlich schwierig, Festkörperbatterien in Elektrofahrzeugen einzusetzen. Auf der anderen Seite arbeiten heimische Batteriefabriken wie Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, die Chinesische Akademie der Wissenschaften, die Tongji-Universität und die Shanghai Jiaotong-Universität unermüdlich an Festkörperbatterien.
Die Meinungen japanischer Experten lassen sich wie folgt zusammenfassen: Toyota Sulfide befindet sich noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, eine Massenproduktion ist mit dem heutigen Stand der Technik nicht möglich. Die ursprüngliche Absicht, Festkörperbatterien zu entwickeln, war die Reduzierung von Batterien für Hybridfahrzeuge. Die Außenwelt glaubt fälschlicherweise, dass Festkörperbatterien in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dies ist der Unterschied zwischen dem internen Denken von Toyota&und der externen öffentlichen Meinung.
In Bezug auf die Sicherheit können Festkörperbatterien auch Lithium-Dendriten produzieren, und die Sicherheit ist sehr besorgniserregend. Und die Beurteilung seiner Sicherheit kann nicht danach beurteilt werden, ob der Elektrolyt brennbar ist. Das wichtigste Problem ist der direkte Kontakt zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode mit hoher Energiedichte.
Festkörperbatterien können die Energiedichte erhöhen, einer der Gründe ist, dass externe Materialien reduziert werden können. Dies ist aber nicht nur ein charakteristisches Merkmal von All-Solid-State-Batterien.
In Bezug auf das Schnellladen haben das Papier von Toyota&und die meisten Forscher keine Beweise dafür bestätigt, dass alle Festkörperbatterien schnell geladen werden können. Sie alle sagten, dass beim Laden Lithium-Dendriten gebildet werden. Je mehr Leute sich mit All-Solid-State-Batterien auskennen, desto mehr leugnen sie, dass sie schnell geladen werden können.
Die meisten Patente von Toyota&in den letzten zehn Jahren beziehen sich auf die Impedanz. Sie untersucht dieses Problem seit zehn Jahren, und es ist immer noch ein großes Problem.
Ansichten heimischer Batteriefabriken: Die Ausbreitung echter Brände steht in direktem Zusammenhang mit organischen Flüssigelektrolyten. Festelektrolyte von Polymeren bis hin zu keramischen Elektrolyten können die Batteriesicherheit in unterschiedlichem Maße verbessern. In Bezug auf Sicherheit und Energiedichte wurden Festkörperbatterien in der Vergangenheit gegenüber herkömmlichen traditionellen Lithium-Ionen-Batterien verbessert. Die Prämisse ist, dass wir über eine gute Technologie verfügen müssen, um das Problem der Schnittstelle zu lösen und sicherzustellen, dass sich der Festelektrolyt an das Batteriedesign anpassen und die Anforderungen an die Batterie mit hohem Energieverhältnis erfüllen kann.
Wir glauben, dass Festkörperbatterien in einigen Aspekten Vorteile haben. Wenn Diaphragma und Elektrolyt durch feste Substanzen ersetzt werden, ist die Sicherheit höher. Wenn die Sicherheitsschwelle des Gesamtsystems erhöht wird, kann dieses System positive und negative Materialien mit hohem Potenzial verwenden, wie z. B. negative Lithium-Metall-Elektroden, und wird in Zukunft eine höhere Energiedichte aufweisen.
Der derzeitige Gedanke besteht darin, so weit wie möglich mit der bestehenden Lithium-Batterie-Ausrüstung und der Lithium-Batterie-Technologie kompatibel zu sein und die Kosten so weit wie möglich zu reduzieren. Da Festkörperbatterien eine hohe Energiedichte und eine hohe Sicherheit aufweisen, können sie in besonderen Situationen zuerst verwendet werden.
Der Vorteil der Energiedichte von Festkörperbatterien ist auf Zellebene relativ nicht offensichtlich und auf PACK-Ebene stärker ausgeprägt. Bis 2021 werden Festkörperbatterien aktive Materialien mit höheren Nutzungsgraden verwenden und die Energiedichte auf Zellebene wird die gleiche wie bei Flüssigbatterien sein und diese dann allmählich übertreffen.
Obwohl Experten aus dem In- und Ausland über die Energiedichte und Sicherheit von Festkörperbatterien streiten, glauben sie grundsätzlich, dass die kommerzielle Anwendung von Festkörperbatterien ein langer Prozess ist, um einige der Mängel von Flüssigbatterien zu beheben. Daher können Festkörperbatterien zuerst aus dem Motorrad- und Unterhaltungselektronikbereich importiert werden und dann in den Elektrofahrzeugbereich eintreten, wenn die drei Dimensionen Sicherheit, Leistung und Kosten ausgereift sind.
