Kõrge nikkelliitiumaku ohutus on muutunud üksmeeleks, kuid tahkis-liitiumakud on nüüd jagatud
Energiatihedust arvestav elektrisõidukite turg on toonud kaasa suuri väljakutseid akupakettide ja komplektsete sõidukite ohutusele. 2018. aastal juhtus Hiinas 52 ohutusõnnetust miljoni elektrisõiduki kohta. Stseenide osas on laadimine, sõitmine ja parkimine kõik stseenid, kus juhtub ohutusõnnetusi.
Kui põhjuseid analüüsida, siis 58% tuleõnnetustest on põhjustatud liitiumakude termilisest läbijooksust. Peaaegu 90% soojuspõgenemisest on põhjustatud lühistest. Rakkude tasemel on positiivsed ja negatiivsed materjalid, elektrolüüt ja membraan termilise põgenemise otseseks kaitsmeks. Pärast rühmitamist on termilise difusiooni mahasurumine konstruktsiooni projekteerimisel, jahutamisel ja elektrilisel juhtimisel seotud sellega, kas termilise põgenemise ohtu saab vähendada või summutada.
16.–17. oktoobrini 2019 toimus Shanghais 2019. aasta Hiina-Jaapani-Korea uue energiaga sõidukiakude tehnoloogiakonverents. Konverents on jagatud kaheks foorumiks, teemadeks on akude soojusohutus ja lahendused ning tahkisaku võtmetehnoloogia ja industrialiseerimise väljakutsed.
Foorum 1, originaalseadmete tootjad, akutootjad, tuntud ülikoolid, laborid ja testimisasutused arutavad kõrge niklisisaldusega akude termilise äravoolu põhjuseid ja lahendusi, kuna toiteakude erienergia tase jätkuvalt tõuseb. Foorum 2 käsitleb erinevate pooljuhtakutehnoloogia marsruutide ja status quo analüüsi.
Süsteem soojusohutuse vaatamiseks
Toiteaku kogu elutsükkel algab materjalisüsteemi valikust kuni akuelemendi valmimiseni, moodulite ja PACK-ide vormimiseni, aku haldamisest pärast paigaldamist ja pealekandmist kuni kasutamiseni sõiduki töös.
Termilise põgenemise algpõhjus on akuelement. Positiivsed ja negatiivsed elektroodid on"kaitsme" ja elektrolüüt on"kütusehoidla". See vajab ainult"spark" termilise põgenemise või tulekahju tekitamiseks.
& quot;Sädemed" kas tulevad raku seest või tekivad väljast. Sisemised tegurid viitavad peamiselt aku projekteerimise ja valmistamise käigus tekkinud ebastabiilsetele teguritele; välistegurid viitavad peamiselt põhjustele, mis on põhjustatud personalist ja välistingimustest aku transportimise, paigaldamise ning kasutamise ja hoolduse ajal.
Aku soojusohutuse rike on peamiselt põhjustatud lokaalsest ülekuumenemisest, mis põhjustab lühise aku sees või mikrolühis põhjustab aku membraani kahjustuse ja suurema ala lühise.
Liitiumioonakud on uuendatud NCM111-lt ja NCM523-lt NCM622-le ja NCM811-le. Positiivse elektroodi kolmekomponendilise materjali nikli sisaldus kasvab jätkuvalt, hapniku vabanemise temperatuur langeb jätkuvalt ja positiivse elektroodi materjali termiline stabiilsus halveneb ja halveneb. Hapniku vabanemise temperatuuri langus tähendab, et liitiumaku on kuumakindlam. Temperatuuri tõustes muutub positiivse elektroodi materjal kihilisest struktuurist spinellstruktuuriks ning seejärel moodustab kivisoola ja vabastab aktiivse hapniku. Kivisoola kasv ja hapniku eraldumine on termilise põgenemise põhjustatud põhiprobleemid.
Elektrokeemiliste ainete kuritarvitamine on akuelementide tehaste jaoks kõige rohkem peavalu tekitav probleem. Kuritarvitamise tingimustes, nagu termiline šokk, ülelaadimine ja tühjenemine, toodavad aku sees olev aktiivne materjal ja elektrolüüt liitiumdendriite, mis läbistavad diafragma ja põhjustavad sisemise lühise. Liitiumi eraldumine negatiivses elektroodis on liitiumdendriitide kasvu peamine põhjus. Seetõttu on liitiumdendriitide vältimine oluline küsimus.
Diafragma rikkest põhjustatud positiivsete ja negatiivsete elektroodide lühis on termilise jooksmise oluline osa. Kui SEI-kile kaitsekile hävib, reageerib elektrolüüt elektroodiga, tekitades soojust, mis sulatab membraani. Veelgi enam, diafragma ees seisev vaenlane on liitiumdendriidid, mis ohustavad selle terviklikkust ja stabiilsust.
Lisaks sisemisest lühisest, ülelaadimisest, aku vananemisest jne põhjustatud aku riketele muudetakse mehaaniline rike ekstreemsetes tingimustes, nagu väline lühis, väljapressimine, tulekahju, sukeldumine ja simuleeritud kokkupõrge, ka sisemiseks lühiseks ja põhjustab elektrit. rike, mis viib lõpuks termilise põgenemiseni.
Mõned tõrked ja jõudluse halvenemine, mis võivad ilmneda aku' kogu elutsükli jooksul, põhjustavad akude kasutamist väljaspool ohutu kasutusvahemikku ja põhjustavad mõningaid ohutusõnnetusi.
Akutehas ja OEM töötavad koos
Termilise äravoolu sisemised ja välised põhjused nõuavad akutootjate ja originaalseadmete tootjate koostööd, et pakkuda üldist lahendust, mis hõlmab positiivseid ja negatiivseid materjale, eraldajaid, elektrolüüte, akuhaldust ja PACK-struktuuri disaini.
Akutehaste jaoks otsige kõrgsurve- ja kõrge temperatuurikindlaid leegiaeglustavaid elektrolüüte, kõrge temperatuuri suhtes vastupidavaid ühekristallkatoodimaterjale, liitiumdendriite inhibeerivaid anoodmaterjale või kasutage kuivuse parandamiseks kaitsmetega kaetud NMC811 katoode. Prantsuse diafragma kasutamine sisaldab keraamilist membraani, mis pärsib rakutasandil termilist põgenemist.
Algseadmete tootjate jaoks ei piisa aku enda ohutusele tähelepanu pööramisest. Lisaks aku enda probleemidele on elektrisõidukite ohutuse tuumaks aku elektriühendus, mehaaniline ohutus, laadimisühendus, igapäevased kasutusprobleemid ja probleemide kiire lahendamine.
OEM' toiteaku ohutuskaitsesüsteem on kavandatud ja kontrollitud neljast aspektist: monomeer, moodul, BMS ja süsteem. Ühest küljest tagavad akutootjad ise ohutuse projekteerimis- ja tootmislinkidest. Teisest küljest arvestavad originaalseadmete tootjad mehaanilist, elektrilist ja termilist ohutust mooduli ohutuse seisukohast, nagu ohutuskaugus, jõukujundus ja kaitse.
Koostestruktuuri osas peavad originaalseadmete tootjad arvestama sõiduki erinevate töötingimustega, aga ka jahutustorustikuga, uute jahutustehnoloogiatega, varajase hoiatamise eest termilise põgenemise eest ja leviku tõkestamisega. Samal ajal peavad nad arvestama tulekahju aktiivse kustutamisega ja sellega, kuidas kustutada tulekahjusid väliskonstruktsioonide kaudu.
Originaalseadmete tootjad mõtlevad üldiselt sellele, kuidas parandada akupaki ohutuse disaini süsteemi tasemelt. Olgu need positiivsed ja negatiivsed elektroodide materjalid, elektrolüüdid, membraanid, konstruktsiooniprojekt, jahutus, soojusjuhtimine ja PACK-i ettevaatusabinõud pärast gruppi, on kõik OEM-analüüsi objektid.
Liitiumakude ohutus on suur teema, mis hõlmab kõiki aspekte materjalidest, tootmisest rakendusteni. Elektrisõidukite soojusohutuse tagamine eeldab originaalseadmete tootjate, akutehaste ja testimisasutuste koostööd, et analüüsida termilise äravoolu mehhanismi ja uurida uusi tehnoloogiaid, mis viivitaksid soojuspõletuse esinemist.
Tahkispatareide erinevad helid
Elektrisõidukite edasiliikumine viitab sellele, et akude energiastandard ei lähe tagasi. Suure potentsiaaliga positiivsete ja negatiivsete materjalide kasutamine on muutunud trendiks ning NCM811 ja ränisüsinikanoodid ilmuvad üha enam akutehaste tehnilistesse teedesse. Kuid suure niklisisaldusega akude kasutamist ähvardab endiselt tulekahju oht. Seetõttu on akutootjad ja originaalseadmete tootjad pööranud oma tähelepanu leegiaeglustavatele kõrgrõhukindlatele tahkiselektrolüütidele, lootes lahendada konkreetse energia ja ohutuse vahelise tasakaalu probleemi.
Sellel Hiina-Jaapani-Korea konverentsil on Hiina ja Jaapani külaliste seisukohad tahkisakude uurimise ja kasutamise kohta aga väga erinevad, mis seab väljakutse tööstusele' . Võrreldes kõrge niklisisaldusega ohutuslahenduste saidi kooskõlastatud jõupingutustega, liiguvad tahkisaku saidi erinevused edasi.
Jaapani 30-aastane pooljuhtakude ekspert dr Tadahiko Kubota, Jaapani endine Toyota ja Honda akude tuumaekspert Ogi Eiki kommenteerib tahkisakude uurimise hetkeseisu"pessimistlik" ;. Tahkisakusid on elektrisõidukitele üsna raske rakendada. Teisest küljest töötavad kodumaised akutehased, nagu Qingtao, Weilan, Huineng, Guoxuan Hi-Tech, Hiina Teaduste Akadeemia, Tongji ülikool ja Shanghai Jiaotongi ülikool, kõik väsimatult tahkisakude kallal.
Jaapani ekspertide arvamused võib kokku võtta järgmiselt: Toyota Sulfide on alles uurimis- ja arendusjärgus ning masstootmine on praeguse tehnoloogiataseme juures võimatu. Selle algne tahkisakude väljatöötamise kavatsus oli vähendada hübriidsõidukite akusid. Välismaailm arvab ekslikult, et elektrisõidukites kasutatakse tahkisakusid. See on erinevus Toyota' sisemise mõtlemise ja välise avaliku arvamuse vahel.
Ohutuse mõttes võivad tahkisakud toota ka liitiumdendriite ja ohutus on väga murettekitav. Ja selle ohutuse üle otsustamist ei saa hinnata selle järgi, kas elektrolüüt on tuleohtlik. Kõige olulisem probleem on positiivse elektroodi ja suure energiatihedusega negatiivse elektroodi vaheline otsekontakt.
Tahkisakud võivad suurendada energiatihedust, üks põhjusi on see, et väliseid materjale saab vähendada. Kuid see pole ainult tahkispatareide iseloomulik omadus.
Kiirlaadimise osas ei ole Toyota' paber ega enamik teadlasi kinnitanud ühtegi tõendit selle kohta, et kõiki pooljuhtakusid saab kiirlaadida. Nad kõik ütlesid, et liitiumdendriidid tekivad laadimise ajal. Mida rohkem inimesi mõistab tahkisakusid, seda rohkem nad eitavad, et neid saab kiiresti laadida.
Enamik Toyota' patente viimasel kümnendil on seotud impedantsiga. Ta on seda probleemi uurinud kümme aastat tagasi ja see on endiselt suur probleem.
Kodumaiste akutehaste vaated: tõeliste tulekahjude levik on otseselt seotud orgaaniliste vedelate elektrolüütidega. Tahked elektrolüüdid, mis ulatuvad polümeeridest keraamiliste elektrolüütideni, võivad aku ohutust erineval määral parandada. Ohutuse ja energiatiheduse osas on tahkisakusid varasemalt tavapäraste traditsiooniliste liitiumioonakudega võrreldes täiustatud. Eelduseks on see, et liidese probleemi lahendamiseks peab meil olema hea tehnoloogia ja tagama, et tahke elektrolüüt suudab kohaneda aku disainiga ja täita kõrge suhtega aku nõudeid.
Usume, et tahkisakudel on mõnes aspektis eeliseid. Kui membraan ja elektrolüüt asendatakse tahkete ainetega, on sellel suurem ohutus. Kui kogu süsteemi ohutusläve suurendatakse, saab see süsteem kasutada suure potentsiaaliga positiivseid ja negatiivseid materjale, näiteks liitiummetallist negatiivseid elektroode, ja sellel on tulevikus suurem energiatihedus.
Praegune mõtteviis on võimalikult palju ühilduda olemasoleva liitiumaku varustuse ja liitiumaku tehnoloogiaga ning vähendada kulusid nii palju kui võimalik. Kuna tahkispatareidel on kõrge energiatihedus ja kõrge ohutus, võib neid mõnes eriolukorras esmalt kasutada.
Tahkispatareide energiatiheduse eelis ei ole elemendi tasemel suhteliselt ilmne ja PACK-i tasemel on see rohkem silmatorkav. 2021. aastaks kasutavad tahkispatareid suurema kasutusmääraga aktiivmaterjale ning energiatihedus elemendi tasemel on sama, mis vedelatel akudel, ning ületab seejärel seda järk-järgult.
Kuigi kodumaised ja välismaised eksperdid vaidlevad tahkisakude energiatiheduse ja ohutuse üle, usuvad nad põhimõtteliselt, et tahkisakude kaubanduslik kasutamine on vedelakude mõningate puuduste lahendamiseks pikk protsess. Seetõttu saab tahkisakusid importida esmalt mootorrataste ja olmeelektroonika valdkonnast ning seejärel siseneda elektrisõidukite valdkonda, kui kolm mõõdet: ohutus, jõudlus ja maksumus on küpsed.
