Overladen is een van de moeilijkste items in de huidige veiligheidstest voor lithiumbatterijen, dus het is noodzakelijk om het mechanisme van overladen en de huidige maatregelen om overladen te voorkomen te begrijpen.
Afbeelding 1 is de spannings- en temperatuurcurve van de batterij van het NCM+LMO/Gr-systeem wanneer deze overbelast is.De spanning bereikt een maximum bij 5,4 V, en dan daalt de spanning, wat uiteindelijk leidt tot oververhitting.De spannings- en temperatuurcurven van de overlading van de ternaire batterij lijken er sterk op.
Wanneer de lithiumbatterij overladen is, zal deze warmte en gas genereren.De warmte omvat ohmse warmte en warmte die wordt gegenereerd door nevenreacties, waarvan ohmse warmte de belangrijkste is.De nevenreactie van de batterij veroorzaakt door overladen is ten eerste dat overtollig lithium in de negatieve elektrode wordt ingebracht en dat lithiumdendrieten op het oppervlak van de negatieve elektrode zullen groeien (N/P-verhouding zal de initiële SOC van de groei van lithiumdendrieten beïnvloeden).De tweede is dat overtollig lithium wordt onttrokken aan de positieve elektrode, waardoor de structuur van de positieve elektrode instort, waardoor warmte vrijkomt en zuurstof vrijkomt.Zuurstof versnelt de ontleding van de elektrolyt, de interne druk van de batterij blijft stijgen en de veiligheidsklep gaat open na een bepaald niveau.Het contact van het actieve materiaal met de lucht genereert verder meer warmte.
Studies hebben aangetoond dat het verminderen van de hoeveelheid elektrolyt de warmte- en gasproductie tijdens overladen aanzienlijk zal verminderen.Bovendien is onderzocht dat wanneer de batterij geen spalk heeft of de veiligheidsklep niet normaal kan worden geopend tijdens overladen, de batterij kan exploderen.
Een lichte overbelasting veroorzaakt geen oververhitting, maar vervaagt de capaciteit.Uit het onderzoek bleek dat wanneer de batterij met NCM/LMO-hybride materiaal als positieve elektrode wordt overladen, er geen duidelijk capaciteitsverlies is wanneer de SOC lager is dan 120%, en de capaciteit neemt aanzienlijk af wanneer de SOC hoger is dan 130%.
Op dit moment zijn er grofweg verschillende manieren om het probleem van overladen op te lossen:
1) De beveiligingsspanning wordt ingesteld in het BMS, meestal is de beveiligingsspanning lager dan de piekspanning tijdens overladen;
2) Verbeter de overbelastingsweerstand van de batterij door materiële wijziging (zoals materiaaldeklaag);
3) Voeg additieven tegen overbelasting toe, zoals redoxparen, aan de elektrolyt;
4) Met het gebruik van een spanningsgevoelig membraan, wanneer de batterij overbelast is, wordt de membraanweerstand aanzienlijk verminderd, wat als een shunt fungeert;
5) OSD- en CID-ontwerpen worden gebruikt in vierkante aluminium omhulselbatterijen, die momenteel gangbare anti-overbelastingsontwerpen zijn.De zakbatterij kan een vergelijkbaar ontwerp niet bereiken.
Referenties
Energieopslagmaterialen 10 (2018) 246-267
Deze keer introduceren we de spannings- en temperatuurveranderingen van de lithium-kobaltoxide-batterij wanneer deze overbelast is.De onderstaande afbeelding is de overlaadspanning en temperatuurcurve van de lithium-kobaltoxide-batterij en de horizontale as is de hoeveelheid delithiatie.De negatieve elektrode is grafiet en het elektrolytoplosmiddel is EC/DMC.De capaciteit van de accu is 1,5Ah.De laadstroom is 1,5A en de temperatuur is de interne temperatuur van de batterij.
Zone I
1. De accuspanning stijgt langzaam.De positieve elektrode van lithiumkobaltoxide delithieert meer dan 60% en metaallithium wordt geprecipiteerd aan de kant van de negatieve elektrode.
2. De accu puilt uit, wat mogelijk te wijten is aan hogedrukoxidatie van het elektrolyt aan de positieve kant.
3. De temperatuur is in principe stabiel met een lichte stijging.
Zone II
1. De temperatuur begint langzaam te stijgen.
2. In het bereik van 80 ~ 95% neemt de impedantie van de positieve elektrode toe en neemt de interne weerstand van de batterij toe, maar deze neemt af met 95%.
3. De accuspanning overschrijdt 5V en bereikt het maximum.
Zone III
1. Bij ongeveer 95% begint de batterijtemperatuur snel te stijgen.
2. Van ongeveer 95% tot bijna 100% daalt de accuspanning iets.
3. Wanneer de interne temperatuur van de batterij ongeveer 100°C bereikt, daalt de batterijspanning scherp, wat kan worden veroorzaakt door de afname van de interne weerstand van de batterij als gevolg van de temperatuurstijging.
Zone IV
1. Wanneer de interne temperatuur van de batterij hoger is dan 135°C, begint de PE-scheider te smelten, de interne weerstand van de batterij stijgt snel, de spanning bereikt de bovengrens (~ 12V) en de stroom daalt naar een lagere waarde.
2. Tussen 10-12V is de accuspanning onstabiel en fluctueert de stroom.
3. De interne temperatuur van de batterij stijgt snel en de temperatuur stijgt tot 190-220°C voordat de batterij scheurt.
4. De batterij is kapot.
Het overladen van ternaire batterijen is vergelijkbaar met dat van lithium-kobaltoxide-batterijen.Bij het overladen van ternaire batterijen met vierkante aluminium omhulsels die op de markt zijn, wordt de OSD of CID geactiveerd bij het betreden van Zone III en wordt de stroom onderbroken om de batterij te beschermen tegen overladen.
Referenties
Publicatieblad van de elektrochemische samenleving, 148 (8) A838-A844 (2001)
Posttijd: 07-dec-2022