Въведение
Lithium-ion batteries are widely used in consumer electronics, electric vehicles, and energy storage systems due to their high energy density and long lifespan. However, under certain conditions, lithium batteries may experience thermal runaway, leading to fires or even explosions, posing significant safety risks to users and devices. This article analyzes the primary causes of lithium battery fires and explosions and изследва съответните мерки за превенция за повишаване на безопасността на батерията .
1. Основни причини за пожарите и експлозиите на литиевата батерия
Проблемите с безопасността на литиевите батерии произтичат предимно от термично бягство, което води до бързо повишаване на температурата, декомпозиция на материала, вътрешна късо съединение, освобождаване на газ и изгаряне . По -долу са основните причини за пожарите на литиевата батерия и експлозиите:
1.1. презареждане и свръхзареждане
Презареждане: Когато напрежението за зареждане надвишава максималната безопасна граница на батерията (обикновено 4 . 2V - 4.35V), катодният материал може да се разлага, освобождавайки кислород и топлина, ускорявайки термичния бягство.
Свръхзарязване: Когато напрежението на батерията падне твърде ниско (обикновено под 2 . 5V), колекторът на медния ток на анода може да се разтвори, образувайки литиеви дендрити по време на презареждане, увеличавайки риска от вътрешни къси вериги.
1.2. Вътрешни късо съединение
Вътрешните къси вериги могат да бъдат резултат от следните фактори:
Проникване на литиев дендрит: Превишаването или високоскоростното зареждане и изхвърляне може да причини литиево-йонно отлагане на анода, образувайки литиеви дендрити . Ако тези дендрити проникнат в сепаратора и контактуват с катода, се появява късо съединение, което води до бързо покачване на температурата.
Производствени дефекти: Лошото заваряване, бури от електрод или увреждане на сепаратора може да доведе до късо съединение по време на употреба .
Механични щети: Външното налягане, пробивите или капките могат да повредят сепаратора, причинявайки директен контакт между анода и катода, което води до късо съединение .
1.3. високотемпературна среда
Lithium batteries are highly sensitive to temperature. Excessive environmental temperatures (>60 градуса) може да причини следните проблеми:
Електролитно разлагане: Високите температури могат да причинят изпаряване на електролит, освобождавайки запалими газове (e . g ., co, h₂), увеличаване на риска от пожар .
Разпръскване на сепаратор: Когато температурата надвишава 130 градуса, традиционните сепаратори на полиолефин могат да се стопят, което води до вътрешни късо съединение .
1.4. прекомерен заряд и ток на изпускане
Прекомерното зареждане и изхвърляне на токове може да ускори вътрешното натрупване на топлина, което потенциално причинява:
Литиево покритие на анода, образуване на литиеви дендрити и увеличаване на риска от вътрешни късо съединение .
Структурно увреждане на електродни материали, намаляване на живота на батерията и увеличаване на термичния риск от бягство .
1.5. Външни къси вериги
If the battery's positive and negative terminals accidentally short-circuit (e.g., due to conductive debris or incorrect wiring), a large current may rapidly flow through the battery, causing a sharp temperature rise, potentially leading to thermal runaway and combustion.
2. Мерки за предотвратяване на безопасността на литиевата батерия
За да се предотвратят пожарите и експлозиите на литиевата батерия, комбинация от подобрения на материали, системи за управление на батерията (BMS), термично управление, структурен дизайн и експлоатационни насоки за потребители . трябва да бъдат внедрени .
2.1. Оптимизация на материали
Подобрени катодни материали: Използването на по-стабилен литиев железен фосфат (Lifepo₄) или оптимизирани тройни материали (E . g ., високо-никюлните единични кристали) засилват термичната стабилност и намалява освобождаването на кислород .
Оптимизирани електролити: Използването на висококонцентрационни електролити или твърдо състояние електролити намалява запалимостта и повишава температурите на термичните избягвания .
Подобрена безопасност на сепаратора: Използването на сепаратори с керамично покритие или сепаратори на паметта на формата подобрява топлинната устойчивост и намалява риска от късо съединение .
2.2. Разширена система за управление на батерията (BMS)
Мониторинг на напрежението и температурата: BMS трябва да следи напрежението на батерията (с точност ± 1MV) и температура (с 0 . 1 градуса) в реално време, за да се предотврати презареждане, свръхразред и прегряване.
Интелигентен контрол на зареждането: Системата трябва динамично да коригира стратегията за зареждане, като предварително нагряване на батерията, преди да се зарежда в нискотемпературна среда (<-20°C) to avoid lithium plating.
Механизми за прекъсване на безопасността: Внедряване на многостепенна защита, като меко изключване чрез MOSFETS → Твърдо изключване чрез релета → защита на предпазителя, за бързо изключване на веригата и предотвратяване на късо съединение от причиняване на пожари .
2.3. Система за термично управление
Течно охлаждане: В електрическите превозни средства и системите за съхранение на енергия, системите за течно охлаждане на базата на етилен гликол могат да поддържат разлика в температурата на батерията в рамките на ± 2 градуса .
Материали за промяна на фазата (PCM): Попълване на модули на батерията с материали за промяна на фазата (e . g ., парафин/графен композити) може да абсорбира големи количества топлина и да забави термичното разпространение .
Изолация на въздуха: Добавяне на изолационни слоеве на аерогел (термична проводимост<0.02 W/m·K) between battery modules can slow the spread of thermal runaway.
2.4. Оптимизация на структурен дизайн
Защита на въздействието: Добавянето на 3 -милиметрова защитна плоча от титаниев сплав в долната част на батериите засилва устойчивостта на механични повреди, предотвратявайки късо съединение поради удар .
Модулен дизайн: Използването на независима технология за изолация на модула предотвратява разпространението на топлинната батерия на батерията в целия батерия .
2.5. Оперативни указания на потребителя
Избягвайте екстремни температури: Литиевите батерии трябва да се използват в среди между 0 градус и 45 градуса . за съхранение, поддържане на 40% състояние на заряд (SOC) помага да се сведе до минимум самоизменението .
Предотвратяване на презареждане и свръхзареждане: Винаги използвайте зарядни устройства, които отговарят на спецификациите на батерията и избягват използването на нискокачествено, несертифицирано оборудване за зареждане .
Работа с аномалии: Ако батерията набъбва, течове или проявява необичайно отопление, незабавно спрете да я използвате и поставете в зона за безопасност на огнеупон .
3. Развития на бъдещите технологии за безопасност
Технология за самолечение: Изследване на самолекуващите твърди електролитни интерфазни филми (SEI) могат да дадат възможност на литиевите батерии да се поправят след повреда, намалявайки литиевото покритие и рисковете от късо съединение .
Прогнозен анализ, базиран на AI: Utilizing big data and AI algorithms to build thermal runaway prediction models can improve safety warning accuracy (>92%).
All-Solid State батерии: Разработването на електролитна технология с твърдо състояние може да премахне течността на течността на електролитите и опасностите от горенето, постигайки по-високи стандарти за безопасност .
Заключение
The primary causes of lithium battery fires and explosions include overcharging, internal short circuits, high-temperature environments, excessive current, and external short circuits. By optimizing materials, battery management systems, thermal management, structural protection, and user operational guidelines, safety risks can be significantly reduced. In the future, with advancements in self-healing materials, AI predictive analysis, и All-Solid State батерии, безопасността на литиевите батерии ще бъде допълнително подобрена, осигурявайки силна подкрепа за устойчивото развитие на новата енергийна индустрия .