리튬 배터리의 안전성

리튬전지는 휴대성과 급속충전이라는 장점이 있는데 왜 납축전지나 기타 이차전지가 시장에서 계속 유통되고 있는 것일까?
비용 및 다양한 응용 분야의 문제 외에도 또 다른 이유는 보안입니다.
리튬은 세계에서 가장 활동적인 금속입니다.화학적 특성이 너무 활동적이기 때문에 리튬 금속이 공기에 노출되면 산소와 격렬한 산화 반응을 일으켜 폭발, 연소 및 기타 현상이 발생하기 쉽습니다.또한 충전 및 방전 중에 리튬 배터리 내부에서도 산화 환원 반응이 발생합니다.폭발 및 자연 발화는 주로 가열 후 리튬 배터리의 축적, 확산 및 방출로 인해 발생합니다.요컨대, 리튬 배터리는 충방전 과정에서 많은 열을 발생시켜 배터리 내부 온도 상승과 개별 배터리 간 온도 불균일로 이어져 배터리 성능이 불안정해집니다.
열 폭주 리튬 이온 배터리의 안전하지 않은 동작(배터리 과충전 및 과방전, 급속 충전 및 방전, 단락, 기계적 남용 조건, 고온 열 충격 등 포함)은 배터리 내부에서 위험한 부반응을 유발하고 열을 발생시킬 수 있습니다. 음극 및 양극 표면의 부동태 필름을 직접 손상시킵니다.
리튬 이온 배터리의 열 폭주 사고를 유발하는 데는 여러 가지 이유가 있습니다.트리거링의 특성에 따라 기계적 남용 트리거링, 전기적 남용 트리거링 및 열 남용 트리거링으로 나눌 수 있습니다.기계적 학대: 차량 충돌로 인한 침술, 압출 및 무거운 물체 충격을 말합니다.전기 남용: 일반적으로 단락, 과충전 및 과방전을 포함한 부적절한 전압 관리 또는 전기 부품 고장으로 인해 발생합니다.열 남용: 부적절한 온도 관리로 인한 과열로 인해 발생합니다.

이 세 가지 트리거링 방법은 상호 연관되어 있습니다.기계적 남용은 일반적으로 배터리 다이어프램의 변형 또는 파열을 일으켜 배터리의 양극과 음극 사이에 직접 접촉하고 단락되어 전기적 남용을 초래합니다.그러나 전기를 남용한 상태에서는 줄 열 등의 발열이 증가하여 배터리 온도가 상승하게 되고 이는 열 남용으로 발전하여 배터리 내부에서 연쇄형 발열 부반응을 더욱 촉발시켜 최종적으로 발생에 이르게 된다. 배터리 열 폭주.
배터리 열 폭주는 배터리의 열 발생률이 방열률보다 훨씬 높기 때문에 발생하며, 열은 대량으로 축적되지만 시간 내에 소산되지 않습니다.본질적으로 "열 폭주"는 긍정적인 에너지 피드백 주기 프로세스입니다. 상승하는 온도로 인해 시스템이 뜨거워지고 시스템이 뜨거워진 후 온도가 상승하여 시스템이 더 뜨거워집니다.
열 폭주 과정: 배터리 내부 온도가 상승하면 SEI 필름 표면의 SEI 필름이 고온에서 분해되고 흑연에 내장된 리튬 이온이 전해질 및 바인더와 반응하여 배터리 온도를 더욱 높입니다. 이 온도에서 새로운 격렬한 발열 반응이 일어날 것입니다.배터리 온도가 200℃ 이상에 도달하면 양극재가 분해되면서 다량의 열과 가스를 방출하고 배터리가 부풀어 오르기 시작하며 지속적으로 가열된다.리튬 내장 양극은 250-350℃에서 전해질과 반응하기 시작했습니다.충전된 양극재는 격렬한 분해 반응을 일으키기 시작하고 전해질은 격렬한 산화 반응을 일으켜 많은 양의 열을 방출하고 고온과 많은 양의 가스를 발생시켜 전지의 연소 및 폭발을 일으킵니다.
과충전 시 리튬 덴드라이트 침전 문제: 리튬 코발레이트 배터리가 완전히 충전된 후 많은 양의 리튬 이온이 양극에 남아 있습니다.즉, 음극은 음극에 부착된 리튬 이온을 더 이상 보유할 수 없지만 과충전 상태에서 음극의 과잉 리튬 이온은 여전히 ​​음극으로 헤엄칠 것입니다.완전히 담을 수 없기 때문에 금속 리튬이 음극에 형성됩니다.이 금속 리튬은 수상돌기 결정이기 때문에 수상돌기(dendrite)라고 부른다.수상 돌기가 너무 길면 다이어프램을 뚫기 쉬워 내부 단락이 발생합니다.전해질의 주성분은 탄산염으로 발화점과 끓는점이 낮아 고온에서 타거나 폭발하기도 한다.

폴리머 리튬 배터리인 경우 전해질이 콜로이드성이어서 더 격렬하게 연소되기 쉽습니다.이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 더 안전한 양극 물질을 대체하려고 합니다.망간산리튬 전지의 재료는 일정한 장점이 있습니다.그것은 양극의 리튬 이온이 코발산 리튬과 같은 양극에 특정 잔류 물을 갖는 대신 완전 충전 상태에서 음극의 탄소 구멍에 완전히 삽입 될 수 있음을 어느 정도 방지 할 수 있습니다. 수상돌기.망간산 리튬의 안정적인 구조는 산화 성능이 리튬 코발레이트보다 훨씬 낮습니다.내부 단락이 아닌 외부 단락이 있더라도 기본적으로 리튬 금속 침전으로 인한 연소 및 폭발을 피할 수 있습니다.인산철리튬은 열안정성이 높고 전해액의 산화능력이 낮아 안전성이 높다.
리튬 이온 배터리의 노화 감쇠는 용량 감쇠 및 내부 저항 증가로 나타나며 내부 노화 감쇠 메커니즘에는 양극 및 음극 활성 물질의 손실과 사용 가능한 리튬 이온의 손실이 포함됩니다.양극재가 노후화되어 부식되어 음극의 용량이 부족할 경우 양극에서 리튬이 발생할 위험이 더 커집니다.과방전 상태에서 리튬에 대한 음극의 전위는 구리의 용해 전위보다 높은 3V 이상으로 상승하여 구리 수집기의 용해를 유발합니다.용해된 구리 이온은 음극 표면에 침전되어 구리 덴드라이트를 형성합니다.구리 덴드라이트는 다이어프램을 통과하여 내부 단락을 일으켜 배터리의 안전 성능에 심각한 영향을 미칩니다.
또한 노화된 배터리의 과충전 저항은 주로 내부 저항의 증가와 양극 및 음극 활성 물질의 감소로 인해 어느 정도 감소하여 배터리의 과충전 과정에서 줄 열이 증가합니다.과충전이 적으면 부반응이 일어나 배터리의 열 폭주가 발생할 수 있습니다.열 안정성 측면에서 음극에서 리튬이 방출되면 배터리의 열 안정성이 급격히 저하됩니다.
즉, 노후된 배터리의 안전 성능이 크게 저하되어 배터리의 안전을 심각하게 위협하게 됩니다.가장 일반적인 솔루션은 배터리 에너지 저장 시스템에 배터리 관리 시스템(BMS)을 장착하는 것입니다.예를 들어 Tesla Model S에 사용되는 8000 18650 배터리는 배터리의 다양한 물리적 매개변수를 실시간으로 모니터링하고 배터리 사용 상태를 평가하며 배터리 관리 시스템을 통해 온라인 진단 및 조기 경고를 수행할 수 있습니다.동시에 방전 및 사전 충전 제어, 배터리 잔량 관리 및 열 관리도 수행할 수 있습니다.