소재, 설계, 공정의 3가지 측면에서 리튬배터리 안전기술을 이해합니다.
리튬 이온 배터리의 위험성
리튬 이온 배터리는 화학적 특성과 시스템 구성으로 인해 잠재적으로 위험한 화학 전원입니다.
(1). 높은 화학적 활성
리튬은 주기율표의 두 번째 기간에 있는 주요 1족 원소이며 매우 활성적인 화학적 특성을 가지고 있습니다.
(2). 높은 에너지 밀도
리튬이온전지는 니켈-카드뮴, 니켈-수소 등 2차 전지에 비해 비에너지(140Wh/kg 이상)가 매우 높다. 열폭주 반응은 열을 방출하여 불안전한 행동을 초래할 수 있습니다.
(삼). 유기 전해질 시스템 사용
유기 전해질 시스템의 유기 용매는 분해 전압이 낮고 산화되기 쉬운 탄화수소입니다. 용매는 또한 가연성입니다. 누출이 발생하면 배터리에 불이 붙거나 타거나 폭발할 수 있습니다.
(4). 부작용 가능성이 높음
리튬 이온 배터리를 정상적으로 사용하는 동안 내부에서는 전기 에너지와 화학 에너지가 서로 변환되는 화학적 양성 반응이 진행됩니다. 그러나 과충전, 과방전, 과전류 작동 등 특정 조건에서는 배터리 내부에서 화학적 부작용이 발생하기 쉽습니다. 이러한 부반응이 심해지면 배터리의 성능과 수명에 심각한 영향을 미치게 됩니다. 다량의 가스가 발생하여 배터리 내부의 압력이 급격히 상승한 후 폭발하여 화재가 발생하여 안전상의 문제가 발생할 수 있습니다.
(5). 전극재료의 구조가 불안정하다
리튬 이온 배터리의 과충전 반응은 양극 재료의 구조를 변화시켜 재료가 강한 산화 효과를 갖게 하고 전해질의 용매가 강한 산화를 겪게 합니다. 이 효과는 되돌릴 수 없으며, 반응으로 인한 열이 축적되면 열폭주가 발생할 위험이 있습니다.
리튬이온 배터리 제품의 안전성 문제 원인 분석
리튬이온 배터리 제품이 산업적으로 발전한 지 30년 만에 안전 기술이 비약적으로 발전해 배터리에서 발생하는 부반응을 효과적으로 제어하고 배터리의 안전성을 확보했습니다. 그러나 최근 리튬이온 배터리의 사용이 확대되고 에너지 밀도가 높아지면서 폭발, 부상 등의 사고나 안전사고로 인한 제품 리콜이 빈번하게 발생하고 있다. 리튬이온 배터리 제품의 안전 문제를 일으키는 주요 원인을 정리하면 다음과 같습니다.
1. 배터리 핵심 소재 이슈
배터리 코어에 사용되는 재료에는 양극 활물질, 음극 활물질, 분리막, 전해질, 쉘 등이 포함됩니다. 재료 선택과 구성된 시스템의 매칭이 배터리 코어의 안전 성능을 결정합니다. 제조사가 양극 및 음극 활물질과 분리막 소재를 선택할 때 원료의 특성과 매칭에 대한 확실한 평가를 실시하지 않아 배터리 셀의 안전성에 본질적인 결함이 발생했습니다.
2. 생산과정의 문제
배터리 셀의 원자재는 엄격하게 테스트되지 않습니다. 생산 환경이 열악하여 생산 시 불순물이 혼합되어 배터리 용량에 큰 단점이 있을 뿐만 아니라 배터리 안전성에도 큰 영향을 미칩니다. 또한, 전해액에 수분이 너무 많이 섞이면 수분이 부반응을 일으켜 배터리 내부 압력이 높아져 안전성에 영향을 줄 수 있습니다. 생산 공정 수준의 한계로 인해 전극 베이스의 평탄도 불량, 전극 활물질의 탈락, 활물질 내 기타 불순물 혼입 등의 문제 등 배터리 셀 생산 과정에서 제품의 일관성이 양호하지 못함 , 약한 탭 용접, 불안정한 용접 온도, 폴 피스 가장자리의 버, 주요 부품에 절연 테이프를 사용하지 않은 경우 모두 배터리 코어의 안전성에 영향을 미칠 수 있습니다. 부정적 효과.
3. 배터리 코어 설계 결함 및 안전 성능 저하
구조 설계 측면에서 주요 부품의 절연 테이프 부재, 마진이 없거나 부족한 분리막 설계, 양극 및 음극 용량 등 안전에 영향을 미치는 많은 핵심 사항을 제조업체에서 심각하게 고려하지 않습니다. 비율 설계가 불합리하고 양극 및 음극 활성 재료 면적비 설계가 불합리하고 탭 길이 설계가 불합리한 등 배터리의 안전에 숨겨진 위험을 초래할 수 있습니다. 또한 일부 배터리 제조업체에서는 배터리 셀 생산 과정에서 비용을 절감하고 성능을 향상시키기 위해 다이어프램 면적을 줄이고 동박 및 알루미늄 호일을 얇게 하고 압력 릴리프 밸브를 사용하지 않는 등 원자재를 절약하고 압축하려고 합니다. 절연 테이프 등을 사용하면 배터리의 안전성이 저하됩니다.
4. 에너지 밀도가 너무 높다
시장은 고용량 배터리 제품을 추구하고 있다. 제조사들은 제품 경쟁력을 높이기 위해 리튬이온 배터리의 부피비에너지를 지속적으로 높이고 있으며, 이로 인해 배터리의 위험성이 크게 높아지고 있습니다.
보안 기술
리튬 이온 배터리에는 많은 숨겨진 위험이 있지만 특정 사용 조건에서 특정 조치를 취하면 셀에서 부반응 및 폭력적인 반응의 발생을 효과적으로 제어하여 안전성을 보장할 수 있습니다. 다음은 리튬이온 배터리에 일반적으로 사용되는 몇 가지 안전 기술을 간략하게 소개합니다.
안전율이 더 높은 원료를 선택하십시오.
안전율이 더 높은 양극 및 음극 활물질, 분리막 재료, 전해질을 선택하십시오.
a) 양극재의 선택
양극재의 안전성은 주로 다음 세 가지 측면에 기초합니다.
1. 재료의 열역학적 안정성;
2. 재료의 화학적 안정성
3. 재료의 물리적 특성.
b) 다이어프램 재질의 선택
분리막의 주요 기능은 배터리의 양극과 음극을 분리하여 양극과 음극이 접촉하여 단락되는 것을 방지하는 것입니다. 동시에 전해질 이온을 통과시키는 능력, 즉 전자 절연성과 이온 전도성을 가지고 있습니다. 리튬이온 배터리용 분리막을 선택할 때 다음 사항에 유의해야 합니다.
1. 전자 절연성을 가지며 양극과 음극의 기계적 절연을 보장합니다.
2. 낮은 저항과 높은 이온 전도성을 보장하기 위해 특정 기공 크기와 다공성을 가지고 있습니다.
3. 다이어프램 재료는 화학적 안정성이 충분하고 전해질 부식에 대한 내성이 있어야 합니다.
4. 다이어프램에는 자동 종료 보호 기능이 있어야 합니다.
5. 다이어프램의 열 수축 및 변형성은 가능한 한 작아야 합니다.
6 다이어프램은 일정한 두께를 가져야 합니다.
7 다이어프램은 물리적 강도가 강하고 펑크에 대한 저항력이 충분해야 합니다.
c) 전해질의 선택
전해질은 리튬이온 배터리의 중요한 구성요소로, 배터리의 양극과 음극 사이에 전류를 전달하고 전도하는 역할을 합니다. 리튬이온전지에 사용되는 전해질은 유기 비양성자성 혼합용매에 적절한 리튬염을 용해시켜 만든 전해질 용액이다. 일반적으로 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.
1. 화학적 안정성이 좋고, 전극 활물질, 집전체, 분리막과 화학 반응이 없습니다.
2. 좋은 전기화학적 안정성과 넓은 전기화학적 창;
3 리튬 이온은 전도성이 높고 전자 전도성이 낮습니다.
4. 넓은 액체 온도 범위;
5. 안전하고 무독성이며 환경 친화적입니다.
배터리셀 전반의 안전설계 강화
배터리 코어는 배터리의 다양한 소재를 결합하는 연결고리입니다. 양극, 음극, 분리막, 탭, 포장필름 등을 일체화한 제품입니다. 배터리 코어의 구조적 설계는 다양한 소재의 성능뿐만 아니라 배터리의 전반적인 성능에도 영향을 미칩니다. 전기화학적 성능과 안전 성능은 중요한 영향을 미칩니다. 재료 선택과 배터리 코어의 구조 설계는 부분적이고 전체적인 관계에 있습니다. 합리적인 구조 모델을 공식화하려면 재료 특성을 배터리 코어 설계에 결합해야 합니다.
또한 리튬 배터리 구조에는 몇 가지 추가적인 보호 장치도 고려할 수 있습니다. 일반적인 보호 메커니즘 설계에는 다음이 포함됩니다.
1. 스위칭 소자를 사용하여 배터리 내부 온도가 상승하면 그에 따라 저항도 상승합니다. 온도가 너무 높으면 전원 공급 장치가 자동으로 중지됩니다.
2. 안전 밸브(배터리 상단의 통풍구)를 설정합니다. 배터리의 내부 압력이 특정 값으로 상승하면 안전 밸브가 자동으로 열려 안전을 보장합니다.
다음은 배터리 셀 구조의 안전 설계에 대한 몇 가지 예입니다.
a) 양극과 음극의 용량 비율 및 칩의 설계 크기
양극 및 음극 재료의 특성에 따라 적절한 양극 및 음극 용량 비율을 선택하십시오. 배터리 코어의 양극 용량과 음극 용량의 비율은 리튬이온 배터리의 안전성과 관련된 중요한 연결고리입니다. 양극 용량이 너무 크면 금속 리튬이 음극 표면에 나타납니다. 증착, 음극이 너무 크면 배터리 용량이 더 큰 손실을 겪게 됩니다. 일반적으로 N/P=1.05~1.15 및 실제 배터리 용량과 안전 요구사항을 기준으로 적절한 선택이 이루어집니다. 음극 페이스트(활물질)의 위치가 양극 페이스트의 위치를 덮도록(더 크게) 조각의 크기를 설계하십시오. 일반적으로 너비는 1~5mm, 길이는 5~10mm 더 커야 합니다.
b) 다이어프램 폭에 대한 여유
세퍼레이터 폭 설계의 전체적인 원리는 양극과 음극이 직접 접촉하여 발생하는 내부 단락을 방지하는 것입니다. 배터리의 충방전 과정과 열충격 및 기타 환경에서 분리막의 열수축으로 인해 분리막이 길이 방향과 폭 방향으로 변형되며, 분리막의 주름 부분이 증가하여 분극도가 증가합니다. 양극과 음극 사이의 거리; 세퍼레이터의 늘어나는 면적은 세퍼레이터의 얇아짐으로 인한 미세단락 가능성을 증가시킨다. 분리막 가장자리 부분의 수축으로 인해 양극과 음극이 직접적으로 접촉할 수 있어 내부 단락이 발생하여 열폭주로 인해 배터리가 위험해질 수 있습니다. 따라서 전지를 설계할 때 면적과 폭을 사용할 때 분리막의 수축 특성을 고려해야 한다. 분리막은 양극과 음극보다 큽니다. 공정 오류를 고려하여 절연 필름은 폴 피스의 바깥쪽 가장자리보다 최소 0.1mm 더 길어야 합니다.
다) 절연처리
내부 단락은 리튬 이온 배터리의 안전 위험에 중요한 요소입니다. 배터리 셀의 구조 설계에는 잠재적으로 위험한 많은 부품이 내부 단락을 일으킬 수 있습니다. 따라서 비정상적인 상황에서 내부 단락이 발생하지 않도록 이러한 주요 위치에 필요한 조치나 절연을 설정해야 합니다. 예를 들어 배터리 내에서 단락이 발생하는 경우 양극 귀와 음극 귀 사이에 필요한 거리를 유지하십시오. 중앙에 페이스트가 없는 마감 단면에 절연 테이프를 붙이고 노출된 부분을 모두 덮습니다. 양극 알루미늄 호일과 음극 활물질 사이에 절연 테이프를 붙이는 단계; 적용 절연 테이프는 탭의 모든 용접 부분을 덮습니다. 배터리 코어 상단에는 절연 테이프가 사용됩니다.
d) 안전밸브(압력완화장치)를 설치한다.
리튬이온 배터리는 내부 온도나 압력이 너무 높아 폭발이나 화재가 발생할 위험이 있는 경우가 많습니다. 합리적인 압력 완화 장치를 설치하면 위험이 발생할 때 배터리 내부의 압력과 열을 빠르게 방출하여 폭발 위험을 줄일 수 있습니다. 정상 작동 중에 배터리의 내부 압력을 충족하고 내부 압력이 위험 한계에 도달하면 자동으로 압력을 해제하기 위해 합리적인 압력 완화 장치가 필요합니다. 압력 방출 장치의 위치를 설정할 때 배터리 쉘 내부 압력 증가의 영향을 고려해야 합니다. 변형 특성을 기반으로 설계한 안전 밸브는 라멜라, 모서리, 솔기 및 노치를 통해 설계할 수 있습니다.
기술 수준 향상
배터리 셀 생산 공정을 표준화하기 위한 노력이 필요합니다. 혼합, 코팅, 베이킹, 성형, 슬리팅, 권취 단계에서 표준화(다이어프램 폭, 전해질 주입량 등) 및 공정 방법 개선(저압 주입 방식, 원심 부하 등) 쉘 방법 등), 공정 제어를 잘 수행하고 공정 품질을 보장하며 제품 간의 차이를 좁힙니다. 안전에 영향을 미치는 주요 단계의 특수 공정 단계(예: 전극판 디버링, 분말 청소, 재료별 다른 용접 방법 사용 등)를 설정하고, 표준화된 품질 모니터링을 구현하고, 불량 부품을 제거하고, 결함이 있는 제품(극편 변형, 다이어프램 펑크, 활성 물질 떨어짐, 전해액 누출 등)을 제외합니다. 생산현장을 청결하게 유지하고, 5S경영과 6 -시그마 품질관리를 통해 생산 중 불순물과 수분의 혼입을 방지하고, 생산 중 사고로 인한 안전영향을 최소화한다.
