लिथियम बैटरी में थर्मल रनवे तंत्र का विश्लेषण और नियंत्रण के तरीके

1. लिथियम-आयन बैटरियों में थर्मल रनवे प्रक्रिया का तंत्र

लिथियम बैटरियां एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड बनाने के लिए लिथियम आयनों को कार्बन (पेट्रोलियम कोक और ग्रेफाइट) में एम्बेड करके बनाई जाती हैं। LixCoO2 का उपयोग आमतौर पर सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में किया जाता है, जबकि LixNiO2 और LixMnO4 का भी उपयोग किया जाता है। LiPF6+डायथिलीन कार्बोनेट (EC)+डाइमिथाइल कार्बोनेट (DMC) का उपयोग इलेक्ट्रोलाइट के रूप में किया जाता है। थर्मल रनवे के मुख्य ट्रिगर कारकों में यांत्रिक क्षति, ओवरचार्जिंग, आंतरिक शॉर्ट सर्किट आदि शामिल हैं। विभिन्न कारकों के प्रभाव में, लिथियम-आयन बैटरी के अंदर सक्रिय सामग्री हिंसक एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं से गुजरती है, और बैटरी का आंतरिक तापमान नियंत्रणीय सीमा से अधिक हो जाता है। , जो अंततः थर्मल भगोड़े की ओर ले गया। लिथियम-आयन बैटरी के अंदर होने वाली एक्ज़ोथिर्मिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं में ठोस इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस फेशियल मास्क एसईआई का अपघटन, नकारात्मक सक्रिय सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिक्रिया, नकारात्मक सक्रिय सामग्री और बाइंडर के बीच प्रतिक्रिया और ऑक्सीकरण अपघटन प्रतिक्रिया शामिल है। इलेक्ट्रोलाइट का.

लिथियम-आयन बैटरियों की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के ठोस-चरण इंटरफ़ेस पर विनाइल कार्बोनेट नकारात्मक इलेक्ट्रोड लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करेगा, जिससे ग्रेफाइट आसंजन सतह पर एसईआई फिल्म की एक परत बन जाएगी। यह झिल्ली इलेक्ट्रोड के दोनों किनारों पर इलेक्ट्रोलाइट और सक्रिय सामग्रियों के बीच प्रतिक्रिया को सीधे धीमा कर सकती है या रोक भी सकती है, जिससे इसकी एक्सोथर्मिक दर में काफी कमी आती है और सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों की स्थिरता में सुधार होता है।

जैसे ही तापमान 90-120 डिग्री तक बढ़ता है, एसईआई फिल्म विघटित होना शुरू हो जाती है, जिसके बाद इलेक्ट्रोलाइट और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के बीच एक एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया होती है। उदाहरण के तौर पर विनाइल कार्बोनेट लेते हुए, प्रतिक्रिया प्रक्रिया को समीकरण (1) और (2) में दिखाया गया है:

ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया के दौरान, बैटरी का आंतरिक तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है। विभिन्न डायाफ्राम सामग्रियों के उपयोग के आधार पर, उनके पिघलने बिंदु भी भिन्न होते हैं। सामान्य पॉलीप्रोपाइलीन डायाफ्राम का गलनांक 165 डिग्री होता है और पॉलीइथाइलीन सामग्री का गलनांक 135 डिग्री होता है। विभाजक सामग्री के पिघलने बिंदु तापमान तक पहुंचने के बाद, आंतरिक विभाजक स्थानीय संकुचन से गुजरता है, जिससे बैटरी के अंदर सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के बीच सीधा संपर्क होता है, जिसके परिणामस्वरूप शॉर्ट सर्किट होता है और बड़ी मात्रा में गर्मी पैदा होती है। शॉर्ट सर्किट से उत्पन्न गर्मी की बड़ी मात्रा डायाफ्राम को तेजी से सिकुड़ने का कारण बनती है, जिससे एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया और तेज हो जाती है।

उसी समय, तापमान सीमा में जहां एसईआई फिल्म विघटित होती है और एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाओं से गुजरती है, लिथियम लवण भी इलेक्ट्रोलाइट के साथ तीव्र एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं। लिथियम-आयन बैटरियों के लिए सामान्य प्रकार की सक्रिय सामग्रियों में लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट (LiPF6), लिथियम टेट्राफ्लोरोबोरेट (LiBF4) आदि शामिल हैं। लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट उच्च तापमान पर विघटित होकर PF5 का उत्पादन करता है, जो आगे CO के ऑक्सीजन परमाणुओं को लेने के लिए विलायक के साथ प्रतिक्रिया करता है। बंधते हैं और एक हिंसक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया से गुजरते हैं, जिससे इलेक्ट्रोलाइट का अपघटन और तेज हो जाता है। साथ ही, लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट और विलायक के बीच ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रिया से अत्यधिक जहरीली गैस हाइड्रोफ्लोरोइक एसिड (एचएफ) भी निकलती है। विशिष्ट प्रतिक्रिया प्रक्रिया समीकरण (3) से (5) में दिखाई गई है:

समान तापमान सीमा के भीतर, इलेक्ट्रोलाइट स्वयं एक अपघटन प्रतिक्रिया से गुजरता है और थोड़ी मात्रा में दहनशील गैस छोड़ता है। थर्मल रनवे प्रक्रिया का विश्लेषण करने के लिए रेट कैलोरीमेट्री का उपयोग करते समय, यह पाया गया कि इलेक्ट्रोलाइट अपघटन द्वारा उत्पादित गैसें मुख्य रूप से C2H4, CO और H2 से बनी होती हैं। इलेक्ट्रोलाइट तेजी से वाष्पीकृत होता है और बैटरी का आंतरिक दबाव बढ़ाता है। जब आंतरिक दबाव दबाव राहत वाल्व की सीमा तक पहुंच जाता है, तो बड़ी मात्रा में दहनशील गैस बाहर निकल जाएगी, जिससे थर्मल रनवे का प्रसार और बढ़ जाएगा। इलेक्ट्रोलाइट के पूर्ण दहन से उत्पन्न ऊष्मा, अपघटन प्रतिक्रिया से निकलने वाली ऊष्मा से कहीं अधिक होती है। एथिलीन कार्बोनेट (ईसी) और प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी) को उदाहरण के रूप में लेते हुए, इलेक्ट्रोलाइट ऑक्सीकरण (6)~(7) और अपूर्ण ऑक्सीकरण (8)~(9) की प्रतिक्रिया प्रक्रियाएं इस प्रकार हैं:

जैसे-जैसे बैटरी का आंतरिक तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है, सकारात्मक इलेक्ट्रोड की सक्रिय सामग्री विघटित होने लगती है। विभिन्न सक्रिय सामग्रियों के उपयोग के आधार पर, जिस तापमान पर ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाएँ होती हैं वह भी भिन्न होता है। सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के अपघटन से ऑक्सीजन उत्पन्न होती है, जो तब आंतरिक सक्रिय सामग्री के साथ प्रतिक्रिया में भाग लेती है, जिससे बैटरी के अंदर बड़ी मात्रा में गैस उत्पन्न होती है। प्रतिक्रिया प्रक्रिया इस प्रकार है:

जब तापमान 136 डिग्री से अधिक हो जाता है, तो बाइंडर पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ) लिथियम के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करेगा। प्रतिक्रिया प्रक्रिया इस प्रकार है:

एसईआई फिल्म के पिघलने और गर्मी को अवशोषित करने के अलावा, उपरोक्त सभी रासायनिक प्रतिक्रियाएं ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रियाएं हैं। इलेक्ट्रोलाइट अपघटन, विभाजक, बैटरी सक्रिय सामग्री और चिपकने वाले की गर्मी रिलीज कुल गर्मी रिलीज का क्रमशः 43.5%, 30.3%, 20.1% और 6.2% है। बैटरी और इलेक्ट्रोलाइट की सकारात्मक और नकारात्मक सक्रिय सामग्रियों के बीच प्रतिक्रिया सबसे बड़ा ताप स्रोत है।

2. लिथियम-आयन बैटरियों में तापीय अपवाह के प्रेरक कारक

लिथियम-आयन बैटरियों में थर्मल रनवे के ट्रिगर कारकों को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: यांत्रिक दुरुपयोग (सुई पंचर, संपीड़न विरूपण, बाहरी टकराव), विद्युत दुरुपयोग (ओवरचार्ज और ओवर डिस्चार्ज, शॉर्ट सर्किट), और थर्मल दुरुपयोग (थर्मल प्रबंधन प्रणाली) असफलता)। यांत्रिक दुरुपयोग आसानी से लिथियम बैटरी में आंतरिक शॉर्ट सर्किट को प्रेरित कर सकता है, जिससे थर्मल भगोड़ा हो सकता है; बिजली के दुरुपयोग में, बैटरियों की ओवरचार्जिंग और डिस्चार्जिंग से आंतरिक प्रतिकूल प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं, जिससे बैटरी कोशिकाओं की स्थानीय ओवरहीटिंग हो सकती है और थर्मल रनवे हो सकता है; बाहरी शॉर्ट सर्किट बैटरियों के तेजी से डिस्चार्ज होने की एक खतरनाक स्थिति है, जहां अत्यधिक उच्च धाराएं तेजी से हीटिंग का कारण बनती हैं और यहां तक ​​कि बैटरी टर्मिनलों को भी फ्यूज कर देती हैं; थर्मल दुरुपयोग की स्थिति में, थर्मल प्रबंधन प्रणाली की विफलता अक्सर आंतरिक डायाफ्राम के संकुचन और विघटन को ट्रिगर करती है, जिससे अंततः आंतरिक शॉर्ट सर्किट और थर्मल भगोड़ा होता है।

इसके अलावा, बैटरी की अपनी स्थिति भी थर्मल रनवे का कारण बनने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक है। बैटरी चार्ज और डिस्चार्ज चक्र में वृद्धि और डेंड्राइट उत्पादन के दौरान मिश्रित अशुद्धियों के शामिल होने से, धातु डेंड्राइट जैसी प्रतिकूल प्रतिक्रियाएं उत्पन्न होती हैं, जो विभाजक को छेदना आसान होती हैं और बैटरी में स्थानीय शॉर्ट सर्किट का कारण बनती हैं।

2.1 थर्मल दुरुपयोग के कारण बैटरी थर्मल रनवे पर शोध

साहित्य में स्थापित लिथियम-आयन बैटरियों के इलेक्ट्रोकेमिकल थर्मल कपलिंग ओवरचार्ज हीट एस्केप मॉडल के अनुसार, तापमान 80 डिग्री तक पहुंचने पर लिथियम-आयन बैटरियां आमतौर पर स्वयं गर्म होने लगती हैं। जब बैटरी की गर्मी ओवरफ्लो हो जाती है और प्रभावी ढंग से जारी नहीं की जा सकती है, तो बैटरी के थर्मल प्रबंधन से बैटरी के तापमान में अनियंत्रित वृद्धि होगी, जो स्थानीय व्यक्तिगत कोशिकाओं से पावर बैटरी पैक तक फैल जाएगी, जिससे साइड प्रतिक्रियाओं और थर्मल रनवे की एक श्रृंखला होगी।

बैटरी के अंदर थर्मल दुरुपयोग अनायास नहीं होता है। अक्सर, यांत्रिक दुरुपयोग या अन्य कारणों से, बैटरी का आंतरिक तापमान एक सीमा तक बढ़ जाता है, और बैटरी के स्थानीय क्षेत्र गर्म हो जाते हैं, जिससे थर्मल दुरुपयोग होता है और तापमान नियंत्रण और बैटरी का स्व-प्रज्वलन शुरू हो जाता है।

साथ ही, प्रायोगिक बैटरी रनवे प्रक्रियाओं का परीक्षण करने और बैटरी थर्मल रनवे के दौरान सुरक्षा विशेषताओं का पता लगाने के लिए थर्मल रनवे का उपयोग एक शोध पद्धति के रूप में भी किया गया है। 1999 में, किटोह एट अल। बाहरी हीटिंग विधियों के आधार पर उच्च विशिष्ट ऊर्जा शक्ति बैटरियों की थर्मल रनवे सुरक्षा विशेषताओं की निगरानी पर शोध किया गया। तब से, लिथियम-आयन बैटरियों के थर्मल रनवे तापमान सीमा का परीक्षण करने के लिए रुद्धोष्म ऊर्जा विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। थर्मल दुरुपयोग पर वर्तमान शोध मुख्य रूप से बैटरियों के बाहरी विकिरण प्रज्वलन पर आधारित है। लियू मेंगमेंग ने एक बहु अंतर्जात क्षणिक ताप उत्पादन मॉडल और एक इलेक्ट्रोकेमिकल थर्मल युग्मन मॉडल की स्थापना की। विकिरण हीटिंग विधि के आधार पर, थर्मल दुरुपयोग के कारण स्व-प्रज्वलन के बाद बैटरियों की सुरक्षा विशेषताओं का अध्ययन किया गया। यह पाया गया कि बैटरी दहन को तीन चरणों में विभाजित किया जा सकता है, अर्थात् इंजेक्शन दहन, स्थिर दहन और माध्यमिक इंजेक्शन दहन। एलआई एट अल. थर्मल दुरुपयोग के कारण होने वाले थर्मल रनवे की पृष्ठभूमि के तहत तापमान पर डिस्चार्ज करंट के प्रभाव का अध्ययन किया गया। यह पाया गया कि जब डिस्चार्ज करंट स्थिर होता है, तो गुणवत्ता हानि, सुरक्षा विशेषता पैरामीटर, थर्मल रनवे आरंभ तापमान और थर्मल रनवे प्रक्रिया के दौरान चरम तापमान सभी बैटरी की क्षमता पर निर्भर करते हैं।

2.2 विद्युत दुरुपयोग के कारण होने वाले बैटरी थर्मल रनअवे पर शोध

बैटरी थर्मल रनवे के सामान्य कारणों में ओवरचार्जिंग और डिस्चार्जिंग, आंतरिक शॉर्ट सर्किट, बाहरी शॉर्ट सर्किट आदि शामिल हैं।

(1) ओवरचार्ज और ओवर डिस्चार्ज

लिथियम-आयन बैटरी में चार्ज डिस्चार्ज चक्र के पूरा होने के दौरान, बीएमएस बैटरी प्रबंधन प्रणाली आमतौर पर चार्ज की स्थिति के आधार पर चार्जिंग करंट को ब्लॉक कर देगी। जब बीएमएस सिस्टम विफल हो जाता है, तो बैटरी को ओवरचार्ज करने से आसानी से गंभीर स्व-प्रज्वलन दुर्घटनाएं हो सकती हैं। चार्जिंग के दौरान एसओसी सीमा तक पहुंचने के बाद, लिथियम धातु नकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री की सतह का पालन करेगी, और संलग्न लिथियम एक निश्चित तापमान पर इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्रतिक्रिया करेगा, जिससे बड़ी मात्रा में उच्च तापमान वाली गैस निकलेगी। उसी समय, अत्यधिक लिथियम हटाने और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के साथ बड़े संभावित अंतर के कारण सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री पिघलना शुरू हो जाती है। एक बार जब सकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता इलेक्ट्रोलाइट के सुरक्षित वोल्टेज से अधिक हो जाती है, तो इलेक्ट्रोलाइट सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के साथ ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया से भी गुजरेगा। ओवरचार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, ओमिक हीटिंग और गैस अतिप्रवाह जैसी साइड प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला हो सकती है, जिससे थर्मल रनवे की घटना बढ़ सकती है।

लिथियम-आयन बैटरियों की ओवरचार्जिंग के दौरान निकलने वाली गैस मुख्य रूप से CO2, CO, H2, CH4, C2H6 और C2H4 से बनी होती है, और चार्जिंग करंट बढ़ने के साथ गैस की मात्रा और गर्मी बढ़ जाती है। संयुक्त विश्लेषण के लिए एक त्वरित कैलोरीमीटर और एक बैटरी चक्र विश्लेषक का उपयोग करके, प्रयोग से पता चलता है कि निरंतर वर्तमान निरंतर वोल्टेज के आधार पर ओवरचार्जिंग का खतरा निरंतर वर्तमान के साथ सीधे ओवरचार्जिंग की तुलना में बहुत अधिक है। विभिन्न प्रायोगिक वातावरणों में मिश्रित सकारात्मक इलेक्ट्रोड और ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोड के ओवरचार्ज प्रदर्शन के आधार पर, रेन एट अल। चार्जिंग करंट, विभाजक सामग्री और गर्मी अपव्यय प्रणाली के प्रभावों पर व्यापक रूप से विचार किया गया। अध्ययन में पाया गया कि एनसीएम बैटरियों की ओवरचार्जिंग के दौरान निकलने वाली गर्मी की मात्रा चार्जिंग करंट के परिमाण से निकटता से संबंधित नहीं है। विभिन्न विभाजक सामग्रियों का पिघलने बिंदु और बैटरी की विकृति और सूजन लिथियम-आयन बैटरियों के थर्मल अपव्यय का मुख्य कारण हैं। वांग एट अल. ओवरचार्ज लिथियम बैटरी के थर्मल प्रसार पथ और उच्च तापमान गैस अतिप्रवाह पथ का विश्लेषण किया, और पाया कि बैटरी ओवरचार्ज के दौरान लिथियम जमाव और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिक्रिया से उत्पन्न गर्मी 43% से अधिक थी। झांग एट अल. वृद्धिशील कैपेसिटेंस अंतर वोल्टेज के आधार पर बैटरी पैक क्षमता के क्षरण तंत्र का अध्ययन किया और पाया कि एक एकल ओवरचार्ज का बैटरी क्षमता पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है, लेकिन सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के नष्ट होने तक ओवरचार्जिंग के बाद, यह बैटरी पैक की थर्मल स्थिरता को गंभीर रूप से प्रभावित करेगा।

अधिक डिस्चार्ज से होने वाला नुकसान बहुत कम होता है। जल्दी ओवर डिस्चार्ज होने से बैटरी का थर्मल रनवे होना मुश्किल है, लेकिन यह बैटरी की क्षमता को प्रभावित कर सकता है। झोउ पिंग एट अल। ओवरडिस्चार्जिंग के बाद निकल कोबाल्ट मैंगनीज एनसीएम टर्नरी लिथियम बैटरी की डिस्चार्ज विशेषताओं का अध्ययन किया गया। स्थैतिक डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान, एनसीएम लिथियम बैटरी के अंदर शॉर्ट सर्किट की डिग्री कम हो जाती है, प्रतिरोध बढ़ जाता है और डिस्चार्ज करंट कम हो जाता है। प्रयोगों से पता चला है कि डिस्चार्ज की गहराई जितनी अधिक होगी, बैटरी पैक के अंदर व्यक्तिगत कोशिकाओं के क्षीणन की डिग्री उतनी ही अधिक होगी। मा एट अल. लिथियम बैटरियों के ओवरडिस्चार्ज प्रयोग में पाया गया कि ओवरडिस्चार्ज बैटरी की सक्रिय सामग्रियों की संरचना को नहीं बदलता है, लेकिन नकारात्मक इलेक्ट्रोड वर्तमान कलेक्टर के विघटन का कारण बन सकता है, एसईआई फिल्म की मोटाई बढ़ा सकता है और बैटरी की उम्र बढ़ने में तेजी ला सकता है। डिस्चार्ज प्रक्रिया पर लिथियम-आयन बैटरी की व्यवहार विशेषताओं को चित्र में दिखाया गया है।

(2) बाहरी शॉर्ट सर्किट

बाहरी शॉर्ट सर्किट भी पावर बैटरियों में थर्मल रनवे का एक महत्वपूर्ण कारण है। चेन एट अल. ताप उत्पादन, वितरण और प्रसार मॉडल के संयोजन के आधार पर एक नया विद्युत थर्मल युग्मन मॉडल विकसित किया। अनुसंधान से पता चला है कि बाहरी शॉर्ट सर्किट स्थितियों के तहत लिथियम-आयन बैटरी का चरम तापमान इलेक्ट्रोड कान के किनारे पर मौजूद होता है। मा ताईक्सियाओ एट अल। पाया गया कि पावर बैटरियों की बाहरी शॉर्ट-सर्किट स्थिति में, साइड प्रतिक्रियाओं से उत्पन्न गर्मी इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री द्वारा उत्पन्न गर्मी से बहुत कम होती है, और इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री द्वारा उत्पन्न गर्मी प्रारंभिक एसओसी के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध होती है, लेकिन तापमान शिखर के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध होती है। तापीय तनाव.

(3) आंतरिक शॉर्ट सर्किट

आंतरिक शॉर्ट सर्किट, जो बैटरी के अंदर होता है और बीएमएस सिस्टम द्वारा पता लगाना मुश्किल होता है, लिथियम-आयन बैटरी में थर्मल रनवे का मुख्य कारण है। जब बैटरी को ओवरचार्ज या ओवरडिस्चार्ज किया जाता है, तो लिथियम डेंड्राइट धीरे-धीरे एसईआई फिल्म में प्रवेश करने के लिए बढ़ते हैं, जिससे आंतरिक शॉर्ट सर्किट होते हैं और तेजी से अनियंत्रित तापमान वृद्धि और थर्मल रनवे होता है। इसके अलावा, बैटरी की किसी न किसी विनिर्माण प्रक्रिया के कारण जाली क्षति या वर्तमान कलेक्टर की गड़गड़ाहट से भी आंतरिक शॉर्ट सर्किट हो सकता है।

2.3 यांत्रिक दुरुपयोग के कारण बैटरी थर्मल भगोड़ा पर शोध

ऑटोमोटिव पावर बैटरियों के अनुप्रयोग में, यांत्रिक विफलताएं अनिवार्य रूप से दुर्घटनाओं के कारण होती हैं। यदि बैटरी पैक बाहरी ताकतों जैसे पंचर और संपीड़न से विकृत हो जाता है, तो यह आंतरिक संरचनात्मक परिवर्तन का कारण बन सकता है और अत्यधिक तनाव के तहत सकारात्मक और नकारात्मक ध्रुवों के बीच सीधे संपर्क के कारण थर्मल भगोड़ा भी हो सकता है। इसलिए, यांत्रिक दुरुपयोग के कारण होने वाले बैटरी थर्मल रनवे पर शोध करना आवश्यक है, जिसमें फैन वेन्जी और जू हुइयॉन्ग ने परिमित तत्व मॉडलिंग और संख्यात्मक निगरानी विश्लेषण के आधार पर यांत्रिक दुरुपयोग के कारण होने वाले थर्मल रनवे पर शोध किया है।

वांग एट अल. सॉफ्ट पैक लिथियम-आयन बैटरियों के आधार पर टक्कर के बाद बैटरी पैक के क्रॉस-सेक्शनल परिवर्तनों पर एक अध्ययन किया गया। पंचर प्रयोग में पाया गया कि पंचर प्रक्रिया के दौरान बैटरी पैक के अंदर बड़ी संख्या में स्थानीय विकृतियाँ और कतरनी फ्रैक्चर परतें दिखाई दीं, और वर्तमान कलेक्टर और सकारात्मक इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री के फटने के साथ-साथ बैटरी की आंतरिक संरचना की पुनर्व्यवस्था भी हुई। पैक, सेपरेटर के पंचर के कारण, बैटरी के अंदर शॉर्ट सर्किट थर्मल रनवे के मूल कारण थे। लैम्ब एट अल. कंप्यूटर टोमोग्राफी तकनीक के आधार पर पंचर स्थितियों के तहत 18650 बेलनाकार लिथियम-आयन बैटरियों की विरूपण स्थिति का अध्ययन किया गया। प्रयोग में पाया गया कि सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच घुसपैठ की घटना आंतरिक शॉर्ट सर्किट की घटना को बढ़ा देती है। शॉर्ट सर्किट के दौरान, संलग्न एल्यूमीनियम पन्नी पिघल जाती है, जिससे पंचर दरार पर बड़ी संख्या में धातु के मोती बन जाते हैं। ली एट अल. पंचर, संपीड़न आदि के आधार पर यांत्रिक दुरुपयोग की विभिन्न स्थितियों के लिए परिमित तत्व विश्लेषण मॉडल स्थापित किए, और बेकार बैटरियों के मापदंडों का उपयोग करके बैटरियों की थर्मल रनवे प्रक्रिया की भविष्यवाणी करने के लिए एक शिक्षण एल्गोरिदम विकसित किया। लिथियम-आयन बैटरियों की सुरक्षा पर यांत्रिक दुरुपयोग के प्रभाव का विश्लेषण आठ प्रकार के मापदंडों के आधार पर किया गया, जिसमें प्रभाव बल, टकराव कोण और विरूपण सीमा शामिल है, जिससे कम्प्यूटेशनल जटिलता काफी कम हो गई है।

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में होने वाला यांत्रिक दुरुपयोग पंचर और संपीड़न जैसे एकल प्रयोगों की तुलना में अधिक जटिल है। केवल प्रायोगिक सिमुलेशन पर निर्भर रहने से बैटरी यांत्रिक दुरुपयोग की सुरक्षा विशेषताओं का गहराई से अध्ययन नहीं किया जा सकता है। मूल समाधान बैटरी स्थापना स्थिति को अनुकूलित करना, एक विश्वसनीय बीएमएस प्रणाली स्थापित करना और पावर बैटरी पैक को डिजाइन करते समय वाहन फ्रेम के डिजाइन को अनुकूलित करना है, ताकि टकराव की स्थिति में पावर बैटरी पैक के विरूपण और संपीड़न को कम किया जा सके। .

3. लिथियम-आयन बैटरियों के थर्मल अपव्यय के लिए निवारक उपाय और तरीके

पावर बैटरियों के थर्मल अपव्यय को रोकने, विलंबित करने और रोकने के लक्ष्य के साथ, कई विद्वानों ने बैटरी पैक थर्मल प्रबंधन, उच्च शक्ति बैटरी पैक संरचना डिजाइन और अन्य पहलुओं पर शोध किया है।

3.1 व्यक्तिगत बैटरियों का सुरक्षा डिज़ाइन

(1) डायाफ्राम डिजाइन की सुरक्षा पर शोध

डायाफ्राम की सुरक्षा में सुधार का मूल उस तापमान को बढ़ाने में निहित है जिस पर डायाफ्राम सिकुड़ता और पिघलता है, जिससे इसकी उच्च तापमान अलगाव क्षमता बढ़ जाती है। डायाफ्राम की उच्च तापमान अलगाव क्षमता यह सुनिश्चित करती है कि इसके माइक्रोप्रोर्स उच्च तापमान वाले वातावरण में सील हो जाते हैं, जिससे लिथियम आयनों का प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है। व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली डायाफ्राम सामग्री आमतौर पर सिरेमिक कोटिंग्स या बंद सेल प्रभाव वाली अन्य सामग्रियों से ढकी होती है।

(2) सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की सुरक्षा पर अनुसंधान

पावर बैटरी बाजार में उपयोग की जाने वाली सबसे आम लिथियम-आयन पॉजिटिव इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री आमतौर पर LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMnzO2 (NCM) आदि हैं। थर्मल रनवे साइड प्रतिक्रियाओं को रोकने और कम करने के लिए पॉजिटिव इलेक्ट्रोड को कवर करने के लिए सामग्री का उपयोग करना, बैटरी साइक्लिंग में सुधार करना और थर्मल स्थिरता, जैसे ZrO2 और AlF3। झांग एट अल. परमाणु सांद्रता के क्रमिक वितरण के आधार पर एक स्तरित टर्नरी एनसीएम सामग्री विकसित की गई, जिसमें नी कोर के रूप में और एमएन संलग्न कणों की बाहरी परत को कवर करता है। परीक्षणों से पता चला है कि यह कई उच्च तापमान और ओवरचार्ज स्थितियों में भी अच्छी साइक्लिंग और थर्मल स्थिरता बनाए रख सकता है।

(3) नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की सुरक्षा पर अनुसंधान

नकारात्मक इलेक्ट्रोड सुरक्षा में सुधार मुख्य रूप से एसईआई फिल्म की थर्मल स्थिरता को बढ़ाने के लिए सामग्री कोटिंग या इलेक्ट्रोलाइट में एडिटिव्स जोड़कर प्राप्त किया जाता है। जू एट अल. बैटरी की थर्मल स्थिरता में सुधार के लिए इलेक्ट्रोलाइट में तरल मिश्र धातु GaSnIn जोड़ा गया। प्रयोग से पता चलता है कि तैयार ग्रेडिएंट एसईआई परत वोल्टेज ध्रुवीकरण को काफी कम कर देती है और कूलम्ब दक्षता को 99.06% तक सुधार देती है। झेंग एट अल. लिथियम डेन्ड्राइट वृद्धि को दबाने के लिए एक अति पतली अरैमिड नैनोफाइबर (एएनएफ) झिल्ली तैयार की। प्रायोगिक परीक्षण में, 50mA/cm2 के उच्च वर्तमान घनत्व वाले वातावरण में, ANF-Li की क्षमता|1200 चक्रों के बाद LiFePO4 की पूर्ण बैटरी घटकर 80.2% हो गई। और पहली बार, इसके शोध ने रेशेदार लिथियम जमाव की खोज की, और नैनोस्केल छिद्रों के साथ तैयार एएनएफ झिल्ली ने इलेक्ट्रोलाइट प्रसार को बढ़ावा दिया, लिथियम परिवहन दक्षता में तेजी लाई, और झिल्ली में प्रवेश करने वाले माइक्रोमीटर आकार के लिथियम डेंड्राइट की कमियों को समाप्त कर दिया।

(4) इलेक्ट्रोलाइट्स की सुरक्षा पर शोध

अधिकांश थर्मल भगोड़ा दुर्घटनाओं में इलेक्ट्रोलाइट शामिल होता है, और थर्मल भगोड़ा को रोकने के लिए इलेक्ट्रोलाइट सुरक्षा में सुधार करना महत्वपूर्ण है। ज्वाला मंदक, ठोस बहुलक पदार्थ, या आयनिक तरल पदार्थ अक्सर इलेक्ट्रोलाइट में एंटी ओवरचार्ज एडिटिव्स के रूप में जोड़े जाते हैं। फ्लोरिनेटेड एथिलीन कार्बोनेट (एफईसी) सबसे आम इलेक्ट्रोलाइट एडिटिव है, जिसका एसईआई फिल्म संरचना को बदलकर नकारात्मक इलेक्ट्रोड में प्रतिवर्ती लिथियम हटाने की कूलम्बिक दक्षता में सुधार करने का लाभ है। ली एट अल. मिश्रित फॉस्फेट इलेक्ट्रोलाइट में मुख्य नमक के रूप में लिथियम डिफ्लुओरोबोरेट (LiDFOB) का उपयोग करके एक डबल-लेयर क्रिस्टलीय और पॉलिमर सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेज़ SEI फिल्म डिज़ाइन की गई। ज्वाला मंदक प्रयोग से पता चला कि ज्वाला मंदक इलेक्ट्रोलाइट का स्वयं बुझाने का समय 6.1 सेकंड था, और ली की प्रतिवर्ती दक्षता 98.2% थी। 150 चार्ज डिस्चार्ज चक्रों के बाद भी, इसने 89.7% बैटरी क्षमता बरकरार रखी।

3.2 पावर बैटरी सिस्टम की सुरक्षा संरक्षण और अनुकूलन डिजाइन

(1) बैटरी पैक संरचना का अनुकूलन डिज़ाइन

सुरक्षा में सुधार के लिए बैटरी पैक संरचना का डिज़ाइन और वाहन स्थापना स्थिति का अनुकूलन महत्वपूर्ण है। चेन एट अल. 18650 बैटरी लेआउट के आधार पर थर्मल रनअवे रेंज के प्रभाव पर एक वर्गीकरण प्रयोग किया गया। प्रयोग से पता चलता है कि ज्वलन का समय कम है, और बड़े ताप क्षेत्रों वाले क्षेत्रों में फैलने की गति और सीमा बड़ी है। लेकिन इसके प्रयोग में केवल पावर बैटरी मॉड्यूल के समग्र हीटिंग पर विचार किया गया और आंतरिक शॉर्ट सर्किट के कारण होने वाली स्थानीय ओवरहीटिंग को ध्यान में नहीं रखा गया। लियू झेंजुन एट अल। पावर बैटरी पैक के त्रि-आयामी ताप अपव्यय मॉडल के आधार पर बैटरी पैक के डिज़ाइन को अनुकूलित किया और ताप अपव्यय सिमुलेशन का संचालन किया। प्रयोग से पता चला कि अनुकूलित लिथियम-आयन बैटरी का अधिकतम तापमान 46 डिग्री से घटकर 34 डिग्री हो गया, और व्यक्तिगत कोशिकाओं के बीच तापमान अंतर 5 डिग्री के भीतर नियंत्रित हो गया।

(2) बैटरी थर्मल प्रबंधन प्रणाली का डिज़ाइन

लिथियम आयन बैटरियों में मजबूत थर्मल संवेदनशीलता होती है, और कम तापमान डिस्चार्ज दक्षता और उच्च तापमान सुरक्षा में सुधार बैटरी थर्मल प्रबंधन प्रणालियों का मूल है। बैटरी पैक को ठंडा करने के तरीकों में तरल शीतलन और वायु शीतलन शामिल हैं। टेस्ला के सभी इलेक्ट्रिक वाहन लिक्विड कूलिंग तकनीक का उपयोग करते हैं, जबकि इलेक्ट्रिक बसें आमतौर पर एयर कूलिंग का उपयोग करती हैं। हाल के वर्षों में, जैसे एरोजेल, चरण परिवर्तन सामग्री और हाइब्रिड सामग्री का उपयोग उनकी उत्कृष्ट गर्मी अवशोषण दक्षता के कारण बैटरी थर्मल प्रबंधन प्रणालियों में किया गया है। वू एट अल. ने हाइड्रोजेल पर आधारित बैटरी थर्मल प्रबंधन प्रणाली के लिए एक लचीली सामग्री विकसित की है। कम लागत वाली सोडियम पॉलीएक्रिलेट सामग्री का उपयोग किया जाता है। इसकी बेहद मजबूत प्लास्टिसिटी को विभिन्न आकारों में बनाया जा सकता है और बैटरी पैक में रखा जा सकता है, जो पारंपरिक वायु शीतलन और तरल शीतलन के गर्मी अपव्यय प्रभाव को आर्थिक रूप से महसूस कर सकता है।

(3) बैटरी थर्मल रनवे के लिए ठंडा करने, बुझाने, अवरुद्ध करने और गैस मार्गदर्शन का डिज़ाइन

जब बैटरी का थर्मल अपव्यय अपरिहार्य हो, तो गर्मी के प्रसार को तुरंत रोकना और ठंडा करना और निकट में स्थापित बैटरियों को प्रभावित होने से बचाने के लिए उच्च तापमान वाली गैसों का मार्गदर्शन करना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

थर्मल रनवे के प्रसार को रोकने के मुख्य तरीकों में शामिल हैं: लौ-मंदक मीडिया को भरना, थर्मल रनवे बैटरी को अलग करने के लिए इन्सुलेशन सामग्री का उपयोग करना, या रास्ते के माध्यम से बैटरी पैक से लपटों और उच्च तापमान गैसों को बाहर निकालना। जू एट अल. जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, बैटरी के साथ व्यवस्थित एक आयताकार क्रॉस-अनुभागीय आकार के साथ एक उच्च तापमान वाली गैस ताप अपव्यय ट्यूब विकसित की गई है। हालांकि यह व्यक्तिगत बैटरियों में थर्मल अपव्यय की घटना को नहीं रोक सकता है, लेकिन यह स्थानीय थर्मल अपव्यय के प्रसार को प्रभावी ढंग से रोक सकता है। बैटरी पैक. ली हाओलियांग एट अल। अक्रिय गैसों और मिश्रित रेफ्रिजरेंट्स पर आधारित एक थर्मल स्प्रेड ब्लॉकिंग सिस्टम और एकीकृत नियंत्रण प्रणाली डिज़ाइन की गई। ऊष्मा फैलाव आरेख और ताप त्वरण के आधार पर, अवरोधन प्रणाली के लिए एक सीमा निर्धारित की जाती है। प्रयोग से पता चलता है कि जब बैटरी पैक स्थानीय रूप से ज़्यादा गरम हो जाता है तो यह गर्मी के प्रसार को प्रभावी ढंग से रोक सकता है।

4. निष्कर्ष

लेख लिथियम-आयन पावर बैटरियों में थर्मल रनवे के ट्रिगरिंग तंत्र, कारणों और सुरक्षा निगरानी प्रबंधन पर साहित्य का सारांश प्रस्तुत करता है।

(1) थर्मल रनअवे तंत्र के अनुसंधान में, लिथियम-आयन बैटरी के मुख्य घटकों की थर्मल स्थिरता और गर्मी रिलीज कानून का विश्लेषण किया गया, और इलेक्ट्रोलाइट अपघटन, विभाजक, बैटरी सक्रिय सामग्री, और प्रतिक्रिया गर्मी रिलीज प्रक्रियाओं के सिद्धांतों का विश्लेषण किया गया। चिपकने वाले पदार्थों को मुख्य रूप से समझाया गया।

(2) थर्मल रनवे के ट्रिगरिंग कारकों पर शोध में, विभिन्न ट्रिगरिंग स्थितियों की विशेषताओं और कारणों को वर्गीकृत और सारांशित किया गया, अर्थात् यांत्रिक दुरुपयोग, विद्युत दुरुपयोग, और थर्मल दुरुपयोग के कारण बैटरी थर्मल रनवे।

(3) थर्मल रनवे को रोकने और निगरानी करने के संदर्भ में, यह आलेख तीन पहलुओं से लिथियम-आयन पावर बैटरी थर्मल रनवे की सुरक्षा में सुधार करने के लिए अनुसंधान पर विस्तार से बताता है: लिथियम-आयन बैटरी कोशिकाओं का अनुकूलन डिजाइन, पावर बैटरी सिस्टम का अनुकूलन, और बैटरी थर्मल प्रबंधन और निगरानी चेतावनी प्रणाली।

हालाँकि लिथियम-आयन बैटरियों में थर्मल रनअवे के अध्ययन में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, फिर भी अनुसंधान के कुछ क्षेत्रों में अभी भी कमियाँ हैं। लिथियम-आयन बैटरियों पर चक्र समय के सुपरपोजिशन के कारण सुरक्षा पर उम्र बढ़ने के प्रभाव पर शोध हाल के वर्षों में ही शुरू हुआ है, विशेष रूप से थर्मल स्थिरता पर उम्र बढ़ने के पथ और तंत्र का प्रयोगात्मक अध्ययन अभी भी अपेक्षाकृत दुर्लभ है। साथ ही, थर्मल रनवे होने के बाद लौ प्रसार की भविष्यवाणी और मॉडलिंग पर केवल कुछ प्रयोगात्मक अध्ययन हैं, और अभी भी लौ प्रसार के संख्यात्मक सिमुलेशन विश्लेषण का अभाव है। यह देखा जा सकता है कि लिथियम-आयन पावर बैटरियों में थर्मल रनवे का सुरक्षा प्रबंधन अभी भी विकास चरण में है, विशेष रूप से चेतावनी और अवरोधन की दिशा में, जिसके लिए और अधिक शोध की आवश्यकता है।