Grund für das thermische Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie

Als zentrale Energiequelle für moderne elektronische Geräte und Elektrofahrzeuge werden Lithium-Ionenbatterien häufig in Smartphones, Elektrofahrzeugen (EVs) und persönlichen leichten Elektrofahrzeugen (PLEVs) wie E-Scootern und E-Bikes verwendet. Trotz ihrer Vorteile hoher Energiedichte, langer Lebensdauer und schnellem Laden bleibt das thermische Durchgehen (TR) das größte Sicherheitsrisiko von Lithium-Ionen-Batterien. Wenn die Batterietemperatur einen kritischen Schwellenwert (normalerweise 150 -180 Grad) überschreitet, löst sie einen unkontrollierbaren Selbsterhitzungszyklus aus, der große Mengen an Hitze und giftigen Gasen freisetzt, was zu Bränden oder sogar Explosionen führt.

Angesichts des häufigen Auftretens von Brandunfällen bei PLEV-Batterien ist es besonders dringend erforderlich, den Mechanismus des thermischen Durchgehens genau zu verstehen und vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen. In diesem Artikel wird eine systematische Analyse vom Mechanismus bis zu den Lösungen durchgeführt.

I. Wesentliche Merkmale des Thermal Runaway

Beim thermischen Durchgehen handelt es sich um eine chemische Kettenreaktion, die auftritt, wenn die Wärmeerzeugungsrate in einer Lithium-Ionen-Batterie ihre Wärmeableitungskapazität übersteigt, mit der Eigenschaft einer selbsterhaltenden Beschleunigung, bis alle brennbaren Stoffe in der Batterie verbraucht sind. Zu seinen Kernmanifestationen gehören:

1. Unkontrollierbarer Temperaturanstieg

• Auslöseschwelle: Bei 150–180 Grad treten exotherme Reaktionen zwischen Elektrolyt und Elektrodenmaterialien auf.
• Temperaturanstiegsrate: Die durch die Reaktion freigesetzte Wärme kann dazu führen, dass die Temperatur auf über 1000 Grad ansteigt.
• Ausbreitungsrisiko: Hohe Temperaturen können zu einer thermischen Ausbreitung in benachbarten Batteriezellen führen.

2. Gasausbruch und Schalenbruch

• Gaszusammensetzung: Bei der Elektrolytzersetzung entstehen brennbare und giftige Gase wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
• Druckstau: Ein plötzlicher Anstieg des Innendrucks der versiegelten Hülle führt zum Bruch.
• Sekundärkatastrophen: Austretende Gase können explodieren, wenn sie auf Funken treffen.

3. Freisetzung von Feuer und giftigen Gasen

• Verbrennungseigenschaften: Die Flammentemperatur übersteigt 1000 Grad und Kathodenmaterialien zersetzen sich unter Freisetzung von Sauerstoff, der die Verbrennung unterstützt.
• Die herkömmliche Methode zum Löschen von Erstickungsbränden ist unwirksam und erfordert eine kontinuierliche Kühlungskontrolle.
• Giftige Emissionen: Freisetzung ätzender Gase wie Flusssäure (HF), die die Atemwege schädigen.

4. Mechanismus der thermischen Ausbreitung

II. Analyse von vier auslösenden Faktoren für thermisches Durchgehen

1. Mechanischer Missbrauch

• Kollision und Panne: Äußere Kräfte verursachen Schäden am Separator, was zu internen Kurzschlüssen führt (z. B. Unfälle mit E-Fahrzeugen).
• Vibrationsermüdung: Kontinuierliche Vibrationen verursachen Mikro-risse in den Elektroden und erhöhen das Risiko einer lokalen Überhitzung.
• Technische Schutzvorschläge: Beim strukturellen Design von Batteriemodulen kann die Verwendung hochfester SMT-Kupferstreifenverbindungen die mechanische Stabilität verbessern und durch Vibrationen verursachte Mikroschäden reduzieren.

2. Elektrischer Missbrauch

• Überladung oder Tiefentladung führen zu einer Verschlechterung der inneren Struktur
• Overcharging (>4,2 V/Zelle): Die Lithiumbeschichtung auf der Anode bildet Dendriten, die den Separator durchdringen.
• Über-Entladung (<2.5V/cell): Dissolution of copper current collectors leads to internal short circuits.
• BMS-Fehler: Das Batteriemanagementsystem funktioniert nicht richtig und kann abnormale Zustände nicht verhindern.

3. Thermischer Missbrauch

• Hohe Umgebungstemperatur: Batterien sind Umgebungen über 60 Grad ausgesetzt (z. B. in Fahrzeugen unter starker Sonneneinstrahlung).
• Unzureichende Wärmeableitung: Batterien in Modulen sind zu dicht gestapelt, was zu einem Wärmestau führt.
• Mängel beim Wärmemanagement: Fehlendes effektives Design des Wärmeableitungspfads.

4. Herstellungsfehler

• Metallverunreinigungen: Mikrometergroße Metallpartikel, die im Produktionsprozess verbleiben, dringen in den Separator ein.
• Defekte am Separator: Ungleichmäßige Beschichtung führt zu lokalem Isolationsversagen.
• Minderwertige Zellen: Gefälschte Batterien verfügen nicht über Sicherheitsventile (CID) und Schutz durch einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC).

Ⅲ.Thermal Runaway Prevention Technology System

1. Verbesserungen im Wärmemanagementdesign

• Wärmedämmbarrieren: Keramische Beschichtungen/Aerogelmaterialien werden verwendet, um die Wärmeausbreitung zu verzögern.
• Kühlsysteme: Elektrofahrzeuge: Zirkulationsleitungen für Flüssigkeitskühlung; PLEVs: Verbesserte Kühlkörper + Luftkühlungsdesign.
• Strukturoptimierung: Auf Modulebene kann eine sinnvolle Anordnung von SMT-Kupferstreifen mit hoher Wärmeleitfähigkeit effiziente seitliche Wärmeableitungspfade schaffen und in Kombination mit Phasenwechselmaterialien das Wärmegleichgewicht verbessern.

2. Intelligentes Batteriemanagementsystem (BMS)

• Dreifache Überwachung: Echtzeiterkennung von Spannung, Strom und Temperatur.
• Aktiver Schutz: Automatische Abschaltung-bei Überladung/Tiefentladung; Dynamischer Ausgleich der Zellspannungen.
• Frühwarnmechanismus: Drahtlose Übertragung abnormaler Alarmsignale.

3. Eigensichere Materialien

Vergleich verschiedener Batteriematerialien

4. Nutzerseitige Schutzmaßnahmen

• Ladevorgaben: Original-Ladegeräte verwenden; Vermeiden Sie das Aufladen über Nacht; Halten Sie einen Ladezustand zwischen 20 % und 80 % ein.
• Lagerungsanforderungen: Kühle und belüftete Umgebung, entfernt von brennbaren Substanzen.
• Erkennung von Anomalien: Stellen Sie die Verwendung sofort ein, wenn Sie eine Ausbeulung oder einen eigenartigen Geruch feststellen.

Ⅳ. Modernste-Überwachungstechnologien

• Regulatorische Standards: Setzen Sie Sicherheitszertifizierungen wie UL 2271 und IEC 62619 durch.
• Verantwortlichkeiten des Herstellers: Einrichtung eines Systems zur Rückverfolgbarkeit von Zellen; Beseitigen Sie die Verbreitung minderwertiger Batterien.
• Technologische Innovation: Förderung der Laserschweißanschlusstechnologie, um die Zuverlässigkeit elektrischer Verbindungen sicherzustellen und lokale Überhitzungen durch Kontaktwiderstände zu reduzieren.

Ⅴ.Fazit

Angesichts der rasanten Entwicklung der Elektrotransport- und Energiespeicherindustrie erfordert die Verhinderung des thermischen Durchgehens von Lithium-{0}Ionenbatterien eine multi-dimensionale Zusammenarbeit in der Materialforschung und -entwicklung, im technischen Design und in der Benutzerschulung. Durch die Optimierung von Wärmemanagementdesigns (z. B. SMT-Kupferstreifen-Wärmeleitungsschemata), die Popularisierung intelligenter BMS-Systeme und die Förderung sicherer chemischer Systeme wie LFP können wir ein zuverlässigeres Energiespeicher-Ökosystem aufbauen.