Prekomerno polnjenje je ena najtežjih postavk v trenutnem preskusu varnosti litijeve baterije, zato je treba razumeti mehanizem prekomernega polnjenja in trenutne ukrepe za preprečevanje prekomernega polnjenja.
Slika 1 prikazuje krivulje napetosti in temperature sistemske baterije NCM+LMO/Gr, ko je preveč napolnjena.Napetost doseže maksimum pri 5,4 V, nato pa napetost pade, kar sčasoma povzroči toplotni beg.Napetostne in temperaturne krivulje prenapolnjenosti ternarne baterije so ji zelo podobne.
Ko je litijeva baterija preveč napolnjena, bo proizvajala toploto in plin.Toplota vključuje ohmsko toploto in toploto, ki nastane pri stranskih reakcijah, med katerimi je ohmska toplota glavna.Stranska reakcija baterije, ki jo povzroči prekomerno polnjenje, je najprej ta, da se presežek litija vstavi v negativno elektrodo, litijevi dendriti pa bodo zrasli na površini negativne elektrode (razmerje N/P bo vplivalo na začetni SOC rasti litijevega dendrita).Drugi je, da se presežek litija izloči iz pozitivne elektrode, zaradi česar se struktura pozitivne elektrode sesede, pri čemer se sprosti toplota in sprosti kisik.Kisik bo pospešil razgradnjo elektrolita, notranji tlak akumulatorja bo še naraščal, varnostni ventil pa se bo odprl po določeni stopnji.Stik aktivnega materiala z zrakom dodatno ustvarja več toplote.
Študije so pokazale, da bo zmanjšanje količine elektrolita znatno zmanjšalo proizvodnjo toplote in plina med čezmernim polnjenjem.Poleg tega je bilo raziskano, da je baterija nagnjena k eksploziji, kadar baterija nima opornika ali varnostnega ventila ni mogoče normalno odpreti med prekomernim polnjenjem.
Rahlo prekomerno polnjenje ne bo povzročilo toplotnega uhajanja, bo pa povzročilo zmanjšanje zmogljivosti.Študija je pokazala, da ko je baterija s hibridnim materialom NCM/LMO kot pozitivno elektrodo prenapolnjena, ni očitnega upada zmogljivosti, ko je SOC nižji od 120 %, zmogljivost pa znatno upade, ko je SOC višji od 130 %.
Trenutno obstaja približno več načinov za rešitev problema prekomernega polnjenja:
1) Zaščitna napetost je nastavljena v BMS, običajno je zaščitna napetost nižja od najvišje napetosti med prekomernim polnjenjem;
2) Izboljšajte odpornost baterije proti preobremenitvi s spremembo materiala (kot je prevleka materiala);
3) Elektrolitu dodajte dodatke proti prekomernemu polnjenju, kot so redoks pari;
4) Z uporabo napetostno občutljive membrane, ko je baterija prenapolnjena, se membranski upor znatno zmanjša, kar deluje kot shunt;
5) Zasnova OSD in CID se uporabljata v baterijah s kvadratnim aluminijastim ohišjem, ki sta trenutno običajni zasnovi proti prekomernemu polnjenju.Torbasta baterija ne more doseči podobne zasnove.
Reference
Materiali za shranjevanje energije 10 (2018) 246–267
Tokrat bomo predstavili napetostne in temperaturne spremembe litij-kobalt-oksidne baterije, ko je preveč napolnjena.Spodnja slika je krivulja napetosti prenapolnjenosti in temperature litij-kobaltovega oksidnega akumulatorja, vodoravna os pa je količina delitacije.Negativna elektroda je grafit, topilo elektrolita pa EC/DMC.Kapaciteta baterije je 1,5Ah.Polnilni tok je 1,5 A, temperatura pa je notranja temperatura baterije.
Cona I
1. Napetost akumulatorja počasi narašča.Pozitivna elektroda iz litijevega kobaltovega oksida delitira več kot 60 %, kovinski litij pa se obori na strani negativne elektrode.
2. Baterija je izbočena, kar je lahko posledica visokotlačne oksidacije elektrolita na pozitivni strani.
3. Temperatura je načeloma stabilna z rahlim dvigom.
Cona II
1. Temperatura začne počasi naraščati.
2. V območju 80~95 % se impedanca pozitivne elektrode poveča, notranji upor baterije pa se poveča, vendar se zmanjša pri 95 %.
3. Napetost akumulatorja preseže 5V in doseže maksimum.
Cona III
1. Pri približno 95 % začne temperatura baterije hitro naraščati.
2. Od približno 95 % do blizu 100 % napetost baterije nekoliko pade.
3. Ko notranja temperatura baterije doseže približno 100°C, napetost baterije močno pade, kar je lahko posledica zmanjšanja notranjega upora baterije zaradi povečanja temperature.
Cona IV
1. Ko je notranja temperatura akumulatorja višja od 135 °C, se PE separator začne topiti, notranji upor akumulatorja hitro naraste, napetost doseže zgornjo mejo (~12 V) in tok pade na nižjo vrednost.
2. Med 10-12 V je napetost akumulatorja nestabilna in tok niha.
3. Notranja temperatura baterije hitro naraste in temperatura naraste na 190-220 °C, preden baterija poči.
4. Baterija je pokvarjena.
Prekomerno polnjenje trojnih baterij je podobno kot pri litij-kobalt-oksidnih baterijah.Pri prekomernem polnjenju trojnih baterij s kvadratnimi aluminijastimi lupinami na trgu se bo OSD ali CID aktiviral ob vstopu v cono III, tok pa bo prekinjen, da se baterija zaščiti pred prenapolnjenostjo.
Reference
Journal of The Electrochemical Society, 148 (8) A838-A844 (2001)
Čas objave: 7. december 2022