Überladung ist einer der schwierigsten Punkte im aktuellen Sicherheitstest für Lithiumbatterien. Daher ist es notwendig, den Mechanismus der Überladung und die aktuellen Maßnahmen zur Verhinderung von Überladung zu verstehen.
Bild 1 zeigt die Spannungs- und Temperaturkurven der NCM+LMO/Gr-Systembatterie bei Überladung.Die Spannung erreicht ihr Maximum bei 5,4 V, dann fällt die Spannung ab, was schließlich zu einem thermischen Durchgehen führt.Die Spannungs- und Temperaturkurven der Überladung der Ternärbatterie sind dieser sehr ähnlich.
Wenn die Lithiumbatterie überladen ist, erzeugt sie Wärme und Gas.Die Wärme umfasst ohmsche Wärme und durch Nebenreaktionen erzeugte Wärme, wobei die ohmsche Wärme die wichtigste ist.Die durch Überladung verursachte Nebenreaktion der Batterie besteht zunächst darin, dass überschüssiges Lithium in die negative Elektrode eingebracht wird und Lithiumdendriten auf der Oberfläche der negativen Elektrode wachsen (das N/P-Verhältnis beeinflusst den anfänglichen SOC des Lithiumdendritenwachstums).Zweitens wird der positiven Elektrode überschüssiges Lithium entzogen, wodurch die Struktur der positiven Elektrode kollabiert, Wärme freigesetzt wird und Sauerstoff freigesetzt wird.Sauerstoff beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyten, der Innendruck der Batterie steigt weiter an und ab einem bestimmten Wert öffnet sich das Sicherheitsventil.Durch den Kontakt des aktiven Materials mit der Luft entsteht zusätzlich mehr Wärme.
Studien haben gezeigt, dass eine Reduzierung der Elektrolytmenge die Wärme- und Gasentwicklung beim Überladen deutlich reduziert.Darüber hinaus wurde untersucht, dass die Batterie explosionsgefährdet ist, wenn die Batterie nicht über einen Splint verfügt oder das Sicherheitsventil bei Überladung nicht normal geöffnet werden kann.
Eine leichte Überladung führt nicht zu einem thermischen Durchgehen, sondern zu einem Kapazitätsverlust.Die Studie ergab, dass bei Überladung der Batterie mit NCM/LMO-Hybridmaterial als positiver Elektrode kein offensichtlicher Kapazitätsabfall auftritt, wenn der Ladezustand unter 120 % liegt, und dass die Kapazität erheblich abnimmt, wenn der Ladezustand über 130 % liegt.
Derzeit gibt es grob mehrere Möglichkeiten, das Überladungsproblem zu lösen:
1) Die Schutzspannung wird im BMS eingestellt. Normalerweise ist die Schutzspannung niedriger als die Spitzenspannung bei Überladung.
2) Verbessern Sie die Überladebeständigkeit der Batterie durch Materialmodifikation (z. B. Materialbeschichtung);
3) Fügen Sie dem Elektrolyten Anti-Überladungszusätze wie Redoxpaare hinzu.
4) Durch die Verwendung einer spannungsempfindlichen Membran wird bei Überladung der Batterie der Membranwiderstand erheblich verringert, der als Shunt fungiert.
5) OSD- und CID-Designs werden in quadratischen Aluminiumgehäusebatterien verwendet, die derzeit gängige Designs zum Schutz vor Überladung sind.Der Beutelakku kann ein ähnliches Design nicht erreichen.
Verweise
Energiespeichermaterialien 10 (2018) 246–267
Dieses Mal werden wir die Spannungs- und Temperaturänderungen der Lithium-Kobaltoxid-Batterie bei Überladung vorstellen.Das Bild unten zeigt die Überladespannungs- und Temperaturkurve der Lithium-Kobaltoxid-Batterie, und die horizontale Achse ist die Delithiierungsmenge.Die negative Elektrode besteht aus Graphit und das Elektrolytlösungsmittel ist EC/DMC.Die Batteriekapazität beträgt 1,5 Ah.Der Ladestrom beträgt 1,5 A und die Temperatur ist die Innentemperatur der Batterie.
Zone I
1. Die Batteriespannung steigt langsam an.Die positive Elektrode aus Lithiumkobaltoxid delithisiert mehr als 60 % und metallisches Lithium wird auf der Seite der negativen Elektrode ausgefällt.
2. Die Batterie wölbt sich, was möglicherweise auf eine Hochdruckoxidation des Elektrolyten auf der positiven Seite zurückzuführen ist.
3. Die Temperatur ist grundsätzlich stabil mit leichtem Anstieg.
Zone II
1. Die Temperatur beginnt langsam anzusteigen.
2. Im Bereich von 80 bis 95 % nimmt die Impedanz der positiven Elektrode zu und der Innenwiderstand der Batterie nimmt zu, bei 95 % nimmt er jedoch ab.
3. Die Batteriespannung überschreitet 5 V und erreicht das Maximum.
Zone III
1. Bei etwa 95 % beginnt die Batterietemperatur schnell anzusteigen.
2. Von etwa 95 % bis nahezu 100 % sinkt die Batteriespannung leicht.
3. Wenn die Innentemperatur der Batterie etwa 100 °C erreicht, fällt die Batteriespannung stark ab, was durch die Verringerung des Innenwiderstands der Batterie aufgrund des Temperaturanstiegs verursacht werden kann.
Zone IV
1. Wenn die Innentemperatur der Batterie höher als 135 °C ist, beginnt der PE-Separator zu schmelzen, der Innenwiderstand der Batterie steigt schnell an, die Spannung erreicht den oberen Grenzwert (~12 V) und der Strom sinkt auf einen niedrigeren Wert Wert.
2. Zwischen 10 und 12 V ist die Batteriespannung instabil und der Strom schwankt.
3. Die Innentemperatur der Batterie steigt schnell an und die Temperatur steigt auf 190–220 °C, bevor die Batterie platzt.
4. Die Batterie ist kaputt.
Das Überladen von Ternärbatterien ähnelt dem von Lithium-Kobaltoxid-Batterien.Beim Überladen von ternären Batterien mit quadratischen Aluminiumgehäusen auf dem Markt wird beim Betreten der Zone III das OSD oder CID aktiviert und der Strom abgeschaltet, um die Batterie vor Überladung zu schützen.
Verweise
Journal of The Electrochemical Society, 148 (8) A838-A844 (2001)
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.12.2022