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      鋰離子電池的安全性

      來源:鋰離子電池廠家?作者:諾信電子??發布時間:2020-07-02 17:39:19??閱讀數:

      特斯拉鋰離子電池

      特斯拉汽車公司2017年消耗約20億個鋰離子電池。特斯拉Model S和Model X電動汽車(EV)均從18650電池獲得電能,該格式也為筆記本電腦和醫療設備供電。18650電池的直徑為18mm,長為65mm。與棱柱形結構和小袋包裝相比,金屬外殼中的圓柱形電池堅固耐用,具有較高的指定能量(容量),但圓柱體很重,并且成簇的包裝密度較低。特斯拉汽車的電池組部署了7000多個電池,為了獲得所需的電壓和安培數,電池要串聯和并聯連接。圖1說明了流行的18650電池。

      用于鋰離子電池的18650電池格式
      圖1:用于鋰離子電池的18650電池格式

      電池的直徑為18mm,長為65mm。每特斯拉汽車的電池組使用了7000多個電池串聯和并聯連接。

      特斯拉Model S的功率為90kWh,以瓦特小時計,是電動汽車中最大的電池;它還提供了兩次充電之間最長的行駛里程。相比之下,日產聆風配備了30kWh的電池組;福特Focus EV的功率為23kWh,雪佛蘭Volt的功率為16kWh,對應的行駛距離較短。一個90kWh的電池可容納足夠的能量,足以為一個典型的美國家庭供電近三天。但是必須給電池充電,這會嚴重影響電網。它們也很昂貴。僅EV電池就具有經濟型汽車的價格標簽。

      鋰離子電池種類繁多,特斯拉選擇了高能鎳鈷鋁S模型的化學(NCA)。該電池由松下制造,額定容量為3,100mAh,比能量比大多數競爭者略高。NCA的其他優點是高比功率,可實現強勁的加速和長壽命。與其他鋰離子系統相比,負極的成本較高且安全系數較低。圖2概述了蜘蛛網中電池的六個最重要的特性。

      NCA蜘蛛網照片
      圖2:NCA蜘蛛網照片

      NCA提供高比能量和功率,并具有長壽命跨度。制造成本增加和安全邊際降低底片。

      由BCG研究提供

      用于電動動力總成的電池需要高負載和長壽命,而NMC是另一種流行的鋰離子系統。NMC代表鎳錳鈷,還用于電動自行車,電動工具以及軍事和醫療設備。陰極可以包含三分之一的鎳,三分之一的錳和三分之一的鈷,但是也可以使用其他組合來滿足特殊要求。這些混合物降低了鈷含量,從而降低了原材料成本。圖3展示了NMC的特性。

      NMC圖片
      圖3:NMC圖片

      NMC具有良好的整體性能,并且在特定方面表現出色能源。典型的應用是電動動力總成和便攜式設備。 NMC的自熱率最低。

      由BCG研究部提供

      另一種流行的用于動力總成的鋰離子系統是磷酸鐵鋰(LiFePO4)。它的優勢在于使用壽命長和安全性高,但其容量卻比鈷基鋰離子系統低。另一個折衷方案是較低的標稱電壓3.3V / cell,而不是其他鋰離子系統的常規3.6V / cell。圖4總結了磷酸鋰的屬性。

      典型的磷酸鋰電池的照片
      圖4:典型的磷酸鋰電池的照片

      磷酸鋰的安全系數高,使用壽命長跨度,但提供適度的比能量并升高自放電。

      由BCG研究部提供

      鋰離子電池有了很大的改善。1994年,18650電池的容量為1100mAh,每只電池的制造成本超過10美元。2001年,價格降至2美元,容量升至1900mAh。如今,高能量密度的18650電池可提供超過3000mAh的電量,成本進一步下降。但是,這并非沒有妥協。新的電池比舊的電池更精致,這會影響周期數。

      一家瑞士高檔電動自行車制造商比較了舊電池和新電池。他們使用Panasonic和LG Chem的NMC 18650電池。車載電池管理系統(BMS)指示1000次循環后,額定為2Ah的早期版本仍提供了80%的輸出。然后是2.2Ah NMC,經過1000次循環后,容量下降到70%。今天使用的現代3Ah NMC經過1000次循環后下降到60%。應該注意的是,新電池的終端容量仍然比舊電池高。3Ah電池在下降60%后仍保持1.8Ah,而2Ah電池在容量下降20%后僅保持1.6Ah。

      EV電池必須具有八年保修。為此,新電池只能充電至80%,放電至30%。隨著電池隨著時間的流逝失去容量,許多BMS逐漸增加充電帶寬以維持相等的行駛里程。一旦以全帶寬工作,電池就會承受更大的壓力,這反映出加速的性能下降和減小的行駛距離。 

      低溫會導致所有電池的性能下降??嗬溥€會使充電更加困難,尤其是鋰離子充電,因為充電比放電更精細。在低溫下使用電池的能力不會自動允許在這些相同條件下充電。低溫下的無人駕駛充電可能會永久損壞電池。

      鋰離子不得在零攝氏度(32°F)以下充電。一些電池制造商允許將充電電流降低到電池額定值的十分之一或0.1C,從而允許在低至-10°C(14°F)的情況下充電,一次充電需要12–15個小時??针姵?。在低溫下充電太快可能導致枝晶生長,反映出較高的自放電并損害了安全性。

      當電池充滿電時,電池應力最高為4.20V / cell。保持較低的電壓還可以在低溫充電期間保護電池,某些BMS會相應地限制電壓和電流。許多EV電池均帶有加熱毯,以在低溫下充電時保護電池。加熱毯的能量很容易從電網獲得。

      電動車車主想要超快速充電,并且可以使用技術來實現。雖然方便,但快速充電對電池有害。盡可能避免充電時間少于90分鐘或充電速率高于1C。板載BMS記錄了嚴重的電池事件,歷史數據可能會違反保修要求。這是一家大型歐洲EV制造商的回應,當時在倫敦舉行的最近EV電池大會上出現了超快充電問題。

      安全是另一個問題,但這適用于所有電池。20萬分之一的故障引發了召回事件這些電池的制造商索尼在2006年將近600萬個鋰離子電池中使用。索尼表示,在極少數情況下,微小的金屬顆??赡軙c電池的其他部分接觸,從而導致短路,并可能導致起火。

      鋰離子電池已經得到改善,故障率降低到了十分之一。這令人放心,但特斯拉計劃消耗的20億批次中,每1000萬個的公式可能導致200個電池失效。故障率可能會進一步下降,但是將一噸電池存儲在一個地方時要格外小心。電池制造商和在存放電池的倉庫中經常發生火災。

      鋰離子電池

      當鋰離子電池暴露在惡劣的環境條件下時,人們所知甚少。內部短路和快速拆卸是值得關注的,一旦發生安全電路無法停止的情況。故障發生在電池內部,電池必須燒壞。

      鋰離子電池可能是由于短路引起的故障,封閉在金屬外殼中的改進型電池將在短期內提供保護。所有電池都可能發生故障,并且還有報告的事件,由于鎳鎘電池過熱,必須拉動波音777的電池斷路器。1970年代初期,美國國家運輸安全委員會(National Transportation Safety Board)每年報告幾次電池事故,涉及當時飛機上新的鎳鎘船用電池。改進最終使NiCd安全。鋰離子電池也會發生這種情況。

      航空運輸電池仍然是一個問題。有關于空運中可以包含多少金屬(或等效鋰)的法規。某些內容可能未經注冊,阿拉伯聯合酋長國通用民航局可以合理地確定UPS 747-400貨機上的起火是鋰電池引起的。該飛機于2010年9月在飛往德國科隆的約一個小時后降落在迪拜沙漠中。

      新的航空貨運集裝箱正在使用可以承受長達四小時的烈火燃燒的材料進行測試,從而可以在大多數航班上緊急著陸。這些航空貨運集裝箱的防火面板由纖維增強的塑料復合材料組成,該復合材料通過剝奪氧氣來撲滅火焰。

      自2008年1月起,人們無法再將備用鋰電池裝在托運行李中,而在機艙中比在貨艙中容易著火。在允許使用滅火器的地方,航空公司允許其作為手提行李。在一次事件中,一個咖啡壺用作筆記本電腦電池的滅火裝置。提醒旅客,隨身攜帶的設備和備用電池可以帶多少電池。這還包括一次鋰電池,并且鋰(或等效電池)的最大重量為:

      ·鋰電池2克。如今,很少有消費類產品使用這些一次電池。

      ·8克二次鋰離子。這相當于一塊100Wh的電池(筆記本電腦大約有60Wh)

      ·所有鋰離子電池合計25克。這相當于300Wh的鋰離子電池。

      從2016年開始,鋰基電池將不再作為客機運輸。此外,貨物中的鋰離子必須具有30%的充電率。除其他必需的標記和標簽外,所有包裹都必須貼有“僅貨運飛機”標簽。此限制不影響與設備一起包裝或包含在設備中的鋰離子電池。

      在對鋰離子進行安全性審查時,其他化學方法也存在問題。鎳和鉛基電池也會引起火災,有的被召回。出現故障的原因是由于老化,粗暴操作,過度振動和高溫導致的隔板損壞。

      在19年的時間里,檢查了113次記錄的空運電池事件,發現大多數故障是由于包裝或處理不當造成的。罪魁禍首是包裝不當造成的電池組損壞和電氣短路。大多數事件發生在機場或貨運樞紐。有問題的電池包括含有鋰金屬的初級鋰,以及鉛,鎳和堿性系統,而不僅僅是鋰離子。如今,現代消費品幾乎沒有涉及鋰離子電池的故障。

      參考文獻

      Batteries International Magazine, Issue 90, Winter 2013/14

      Portable Rechargeable Battery Association (PRBA)

      Boston Consulting Group (BCG)

      E-One Moli Energy (Canada) Ltd

      National Transportation Safety Board

      United Arab Emirates General Civil Aviation Authority

      Batteries in a Portable World, Cadex Electronics: Isidor Buchmann

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