लिथियम बॅटरीची सुरक्षा

लिथियम बॅटरीजमध्ये पोर्टेबिलिटी आणि जलद चार्जिंगचे फायदे आहेत, मग लीड-अ‍ॅसिड बॅटरी आणि इतर दुय्यम बॅटरी अजूनही बाजारात का फिरत आहेत?
खर्च आणि विविध अनुप्रयोग फील्डच्या समस्यांव्यतिरिक्त, दुसरे कारण म्हणजे सुरक्षा.
लिथियम जगातील सर्वात सक्रिय धातू आहे.कारण त्याची रासायनिक वैशिष्ट्ये खूप सक्रिय आहेत, जेव्हा लिथियम धातू हवेच्या संपर्कात येते, तेव्हा त्याची ऑक्सिजनसह तीव्र ऑक्सिडेशन प्रतिक्रिया असते, त्यामुळे स्फोट, ज्वलन आणि इतर घटनांचा धोका असतो.याव्यतिरिक्त, चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान लिथियम बॅटरीमध्ये रेडॉक्स प्रतिक्रिया देखील होईल.स्फोट आणि उत्स्फूर्त ज्वलन हे प्रामुख्याने लिथियम बॅटरी गरम झाल्यानंतर जमा होणे, प्रसार करणे आणि सोडणे यामुळे होते.थोडक्यात, लिथियम बॅटरी चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान भरपूर उष्णता निर्माण करतील, ज्यामुळे बॅटरीचे अंतर्गत तापमान वाढते आणि वैयक्तिक बॅटरींमधील असमान तापमान वाढते, त्यामुळे बॅटरीची अस्थिर कामगिरी होते.
थर्मल रनअवे लिथियम-आयन बॅटरीची असुरक्षित वर्तणूक (बॅटरी ओव्हरचार्ज आणि ओव्हरडिस्चार्ज, जलद चार्ज आणि डिस्चार्ज, शॉर्ट सर्किट, यांत्रिक गैरवर्तन परिस्थिती, उच्च तापमान थर्मल शॉक इ.) बॅटरीच्या आत धोकादायक साइड रिअॅक्शन आणि उष्णता निर्माण करण्याची शक्यता असते. निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड आणि पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड पृष्ठभागावरील निष्क्रिय फिल्मचे थेट नुकसान करते.
लिथियम आयन बॅटरीच्या थर्मल पळून जाणाऱ्या अपघातांना चालना देण्याची अनेक कारणे आहेत.ट्रिगरिंगच्या वैशिष्ट्यांनुसार, ते यांत्रिक गैरवर्तन ट्रिगरिंग, इलेक्ट्रिकल दुरुपयोग ट्रिगरिंग आणि थर्मल गैरवर्तन ट्रिगरिंगमध्ये विभागले जाऊ शकते.यांत्रिक दुरुपयोग: वाहनांच्या टक्करमुळे होणारे एक्यूपंक्चर, एक्सट्रूजन आणि जड वस्तूंच्या प्रभावाचा संदर्भ देते;इलेक्ट्रिक दुरुपयोग: सामान्यतः अयोग्य व्होल्टेज व्यवस्थापन किंवा विद्युत घटक बिघाड, शॉर्ट सर्किट, ओव्हरचार्ज आणि ओव्हरडिस्चार्ज यांमुळे;उष्णतेचा गैरवापर: अयोग्य तापमान व्यवस्थापनामुळे अतिउष्णतेमुळे होते.

या तीन ट्रिगरिंग पद्धती एकमेकांशी संबंधित आहेत.यांत्रिक दुरुपयोगामुळे सामान्यतः बॅटरीच्या डायाफ्रामचे विकृतीकरण किंवा विघटन होते, परिणामी बॅटरीचे सकारात्मक आणि नकारात्मक ध्रुव आणि शॉर्ट सर्किट यांचा थेट संपर्क होतो, परिणामी विद्युत गैरवर्तन होते;तथापि, विजेच्या दुरुपयोगाच्या स्थितीत, जौल हीट सारखी उष्णता निर्माण होते, ज्यामुळे बॅटरीचे तापमान वाढते, जे उष्णतेच्या दुरुपयोगात विकसित होते, पुढे बॅटरीच्या आत साखळी प्रकारची उष्णता निर्मिती साइड रिअॅक्शन ट्रिगर करते आणि शेवटी घटना घडते. बॅटरी उष्णता पळून जाणे.
बॅटरी थर्मल रनअवे या वस्तुस्थितीमुळे होते की बॅटरीचा उष्णता निर्मिती दर उष्णतेच्या अपव्यय दरापेक्षा खूप जास्त आहे आणि उष्णता मोठ्या प्रमाणात जमा होते परंतु वेळेत नष्ट होत नाही.थोडक्यात, "थर्मल रनअवे" ही एक सकारात्मक उर्जा अभिप्राय चक्र प्रक्रिया आहे: वाढत्या तापमानामुळे सिस्टम गरम होईल आणि सिस्टम गरम झाल्यानंतर तापमान वाढेल, ज्यामुळे सिस्टम अधिक गरम होईल.
थर्मल रनअवेची प्रक्रिया: जेव्हा बॅटरीचे अंतर्गत तापमान वाढते, तेव्हा SEI फिल्मच्या पृष्ठभागावरील SEI फिल्म उच्च तापमानात विघटित होते, ग्रेफाइटमध्ये एम्बेड केलेले लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइट आणि बाईंडरवर प्रतिक्रिया देईल, ज्यामुळे बॅटरीचे तापमान आणखी वाढेल. 150 ℃ पर्यंत, आणि या तापमानात एक नवीन हिंसक एक्झोथर्मिक प्रतिक्रिया होईल.जेव्हा बॅटरीचे तापमान 200 डिग्री सेल्सियसच्या वर पोहोचते तेव्हा कॅथोड सामग्रीचे विघटन होते, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणात उष्णता आणि वायू बाहेर पडतात आणि बॅटरी फुगायला लागते आणि सतत गरम होते.लिथियम एम्बेडेड एनोड 250-350 ℃ वर इलेक्ट्रोलाइटसह प्रतिक्रिया देऊ लागला.चार्ज केलेल्या कॅथोड सामग्रीची हिंसक विघटन प्रतिक्रिया होऊ लागते आणि इलेक्ट्रोलाइट हिंसक ऑक्सिडेशन प्रतिक्रियातून जातो, मोठ्या प्रमाणात उष्णता सोडते, उच्च तापमान आणि मोठ्या प्रमाणात वायू निर्माण करते, ज्यामुळे बॅटरीचे ज्वलन आणि स्फोट होतो.
ओव्हरचार्ज दरम्यान लिथियम डेंड्राइट पर्जन्यवृष्टीची समस्या: लिथियम कोबालेट बॅटरी पूर्णपणे चार्ज झाल्यानंतर, मोठ्या प्रमाणात लिथियम आयन पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडमध्ये राहतात.म्हणजेच, कॅथोड कॅथोडला जोडलेले जास्त लिथियम आयन ठेवू शकत नाही, परंतु जास्त चार्ज केलेल्या स्थितीत, कॅथोडवरील अतिरिक्त लिथियम आयन कॅथोडवर पोहतील.ते पूर्णपणे समाविष्ट होऊ शकत नसल्यामुळे, कॅथोडवर धातूचे लिथियम तयार होईल.लिथियम हा धातू डेन्ड्रिटिक क्रिस्टल असल्याने त्याला डेंड्राइट म्हणतात.जर डेंड्राइट खूप लांब असेल तर, डायाफ्रामला छिद्र पाडणे सोपे आहे, ज्यामुळे अंतर्गत शॉर्ट सर्किट होते.इलेक्ट्रोलाइटचा मुख्य घटक कार्बोनेट असल्यामुळे, त्याचा प्रज्वलन बिंदू आणि उत्कलन बिंदू कमी असतो, त्यामुळे ते जास्त तापमानात जळते किंवा स्फोटही होते.

जर ती पॉलिमर लिथियम बॅटरी असेल, तर इलेक्ट्रोलाइट कोलाइडल आहे, जो अधिक हिंसक ज्वलनास प्रवण असतो.या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, शास्त्रज्ञ सुरक्षित कॅथोड सामग्री पुनर्स्थित करण्याचा प्रयत्न करतात.लिथियम मॅंगनेट बॅटरीच्या सामग्रीचे काही फायदे आहेत.लिथियम कोबालेट सारख्या पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडमध्ये काही अवशेष असण्याऐवजी, पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडचा लिथियम आयन पूर्ण चार्ज स्थितीत नकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या कार्बन होलमध्ये पूर्णपणे एम्बेड केला जाऊ शकतो याची खात्री करू शकते, जे काही प्रमाणात निर्माण टाळते. डेंड्राइट्सलिथियम मॅंगनेटची स्थिर रचना लिथियम कोबालेटच्या ऑक्सिडेशनची कार्यक्षमता कमी करते.जरी बाह्य शॉर्ट सर्किट (अंतर्गत शॉर्ट सर्किट ऐवजी) असले तरीही, ते मुळात लिथियम धातूच्या वर्षावमुळे होणारे ज्वलन आणि स्फोट टाळू शकते.लिथियम आयर्न फॉस्फेटमध्ये उच्च थर्मल स्थिरता आणि इलेक्ट्रोलाइटची कमी ऑक्सिडेशन क्षमता आहे, त्यामुळे त्याची उच्च सुरक्षा आहे.
लिथियम आयन बॅटरीचे वृद्धत्व क्षीणता क्षमता क्षीणन आणि अंतर्गत प्रतिकार वाढीद्वारे प्रकट होते आणि त्याच्या अंतर्गत वृद्धत्व क्षीणन तंत्रामध्ये सकारात्मक आणि नकारात्मक सक्रिय सामग्रीचे नुकसान आणि उपलब्ध लिथियम आयनचे नुकसान समाविष्ट आहे.जेव्हा कॅथोड सामग्री वृद्ध आणि कुजलेली असते आणि कॅथोडची क्षमता अपुरी असते, तेव्हा कॅथोडमधून लिथियम उत्क्रांतीचा धोका अधिक असतो.ओव्हर डिस्चार्जच्या स्थितीत, कॅथोड ते लिथियमची क्षमता 3V वर जाईल, जी तांब्याच्या विघटन क्षमतेपेक्षा जास्त आहे, ज्यामुळे तांबे संग्राहकाचे विघटन होते.विरघळलेले तांबे आयन कॅथोड पृष्ठभागावर अवक्षेपित होतील आणि तांबे डेंड्राइट्स तयार करतील.कॉपर डेंड्राइट्स डायाफ्राममधून जातात, ज्यामुळे अंतर्गत शॉर्ट सर्किट होते, ज्यामुळे बॅटरीच्या सुरक्षिततेच्या कार्यक्षमतेवर गंभीर परिणाम होतो.
याव्यतिरिक्त, वृद्धत्वाच्या बॅटरीचा ओव्हरचार्ज प्रतिरोध एका विशिष्ट मर्यादेपर्यंत कमी होईल, मुख्यत्वे अंतर्गत प्रतिकार वाढल्यामुळे आणि सकारात्मक आणि नकारात्मक सक्रिय पदार्थ कमी झाल्यामुळे, परिणामी बॅटरीच्या ओव्हरचार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान जूल उष्णता वाढते.कमी ओव्हरचार्जिंगमध्ये, साइड रिअॅक्शन ट्रिगर होऊ शकतात, ज्यामुळे बॅटरीची थर्मल पळवाट होऊ शकते.थर्मल स्थिरतेच्या बाबतीत, कॅथोडमधून लिथियम उत्क्रांतीमुळे बॅटरीच्या थर्मल स्थिरतेमध्ये तीव्र घट होईल.
एका शब्दात, वृद्ध बॅटरीची सुरक्षा कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात कमी होईल, ज्यामुळे बॅटरीची सुरक्षितता गंभीरपणे धोक्यात येईल.बॅटरी एनर्जी स्टोरेज सिस्टमला बॅटरी मॅनेजमेंट सिस्टम (BMS) ने सुसज्ज करणे हा सर्वात सामान्य उपाय आहे.उदाहरणार्थ, टेस्ला मॉडेल एस मध्ये वापरल्या जाणार्‍या 8000 18650 बॅटरी बॅटरीच्या विविध भौतिक पॅरामीटर्सचे रिअल-टाइम निरीक्षण करू शकतात, बॅटरी वापर स्थितीचे मूल्यांकन करू शकतात आणि त्याच्या बॅटरी व्यवस्थापन प्रणालीद्वारे ऑनलाइन निदान आणि पूर्व चेतावणी आयोजित करू शकतात.त्याच वेळी, ते डिस्चार्ज आणि प्री-चार्ज नियंत्रण, बॅटरी शिल्लक व्यवस्थापन आणि थर्मल व्यवस्थापन देखील करू शकते.