Il sovraccarico è uno degli elementi più difficili nell'attuale test di sicurezza della batteria al litio, quindi è necessario comprendere il meccanismo di sovraccarico e le attuali misure per prevenirlo.
La figura 1 mostra le curve di tensione e temperatura della batteria del sistema NCM+LMO/Gr quando è sovraccarica.La tensione raggiunge un massimo a 5,4 V, quindi la tensione scende, provocando infine una fuga termica.Le curve di tensione e temperatura del sovraccarico della batteria ternaria sono molto simili ad essa.
Quando la batteria al litio è sovraccarica, genererà calore e gas.Il calore comprende il calore ohmico e il calore generato da reazioni collaterali, di cui il calore ohmico è il principale.La reazione collaterale della batteria causata dal sovraccarico è in primo luogo che il litio in eccesso viene inserito nell'elettrodo negativo e i dendriti di litio cresceranno sulla superficie dell'elettrodo negativo (il rapporto N/P influenzerà il SOC iniziale della crescita dei dendriti di litio).Il secondo è che il litio in eccesso viene estratto dall'elettrodo positivo, provocando il collasso della struttura dell'elettrodo positivo, rilasciando calore e rilasciando ossigeno.L'ossigeno accelererà la decomposizione dell'elettrolita, la pressione interna della batteria continuerà a salire e la valvola di sicurezza si aprirà dopo un certo livello.Il contatto del materiale attivo con l'aria genera ulteriore calore.
Gli studi hanno dimostrato che la riduzione della quantità di elettrolita ridurrà significativamente la produzione di calore e gas durante il sovraccarico.Inoltre, è stato studiato che quando la batteria non ha una stecca o la valvola di sicurezza non può essere aperta normalmente durante il sovraccarico, la batteria è soggetta a esplosione.
Un leggero sovraccarico non causerà una fuga termica, ma causerà un calo della capacità.Lo studio ha rilevato che quando la batteria con materiale ibrido NCM/LMO come elettrodo positivo viene sovraccaricata, non vi è un evidente decadimento della capacità quando il SOC è inferiore al 120% e la capacità diminuisce in modo significativo quando il SOC è superiore al 130%.
Al momento, ci sono approssimativamente diversi modi per risolvere il problema del sovraccarico:
1) La tensione di protezione è impostata nel BMS, solitamente la tensione di protezione è inferiore alla tensione di picco durante il sovraccarico;
2) Migliorare la resistenza al sovraccarico della batteria attraverso la modifica del materiale (come il rivestimento del materiale);
3) Aggiungere all'elettrolita additivi antisovraccarico, come coppie redox;
4) Con l'uso della membrana sensibile alla tensione, quando la batteria è sovraccarica, la resistenza della membrana viene notevolmente ridotta, che funge da shunt;
5) I design OSD e CID sono utilizzati nelle batterie quadrate con guscio in alluminio, che sono attualmente comuni design anti-sovraccarico.La batteria della custodia non può ottenere un design simile.
Riferimenti
Materiali per lo stoccaggio dell'energia 10 (2018) 246–267
Questa volta, introdurremo le variazioni di tensione e temperatura della batteria all'ossido di litio e cobalto quando è sovraccarica.L'immagine sotto è la tensione di sovraccarico e la curva di temperatura della batteria all'ossido di cobalto di litio e l'asse orizzontale è la quantità di delitazione.L'elettrodo negativo è di grafite e il solvente elettrolitico è EC/DMC.La capacità della batteria è di 1,5 Ah.La corrente di carica è di 1,5 A e la temperatura è la temperatura interna della batteria.
Zona I
1. La tensione della batteria aumenta lentamente.L'elettrodo positivo dell'ossido di cobalto di litio delitia più del 60% e il litio metallico viene precipitato sul lato dell'elettrodo negativo.
2. La batteria è gonfia, probabilmente a causa dell'ossidazione ad alta pressione dell'elettrolito sul lato positivo.
3. La temperatura è sostanzialmente stabile con un leggero aumento.
Zona II
1. La temperatura inizia a salire lentamente.
2. Nell'intervallo 80~95%, l'impedenza dell'elettrodo positivo aumenta e la resistenza interna della batteria aumenta, ma diminuisce al 95%.
3. La tensione della batteria supera i 5 V e raggiunge il massimo.
Zona III
1. A circa il 95%, la temperatura della batteria inizia a salire rapidamente.
2. Da circa il 95%, fino a quasi il 100%, la tensione della batteria diminuisce leggermente.
3. Quando la temperatura interna della batteria raggiunge circa 100°C, la tensione della batteria diminuisce bruscamente, il che può essere causato dalla diminuzione della resistenza interna della batteria dovuta all'aumento della temperatura.
Zona IV
1. Quando la temperatura interna della batteria è superiore a 135°C, il separatore PE inizia a sciogliersi, la resistenza interna della batteria aumenta rapidamente, la tensione raggiunge il limite superiore (~12V) e la corrente scende a un livello inferiore valore.
2. Tra 10-12 V, la tensione della batteria è instabile e la corrente oscilla.
3. La temperatura interna della batteria aumenta rapidamente e la temperatura sale a 190-220°C prima che la batteria si rompa.
4. La batteria è rotta.
Il sovraccarico delle batterie ternarie è simile a quello delle batterie al litio cobalto ossido.Quando si sovraccaricano le batterie ternarie con gusci di alluminio quadrati sul mercato, l'OSD o il CID verranno attivati quando si entra nella Zona III e la corrente verrà interrotta per proteggere la batteria dal sovraccarico.
Riferimenti
Giornale della Società Elettrochimica, 148 (8) A838-A844 (2001)
Tempo di pubblicazione: dic-07-2022