ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียม

แบตเตอรี่ลิเธียมมีข้อดีของการพกพาและการชาร์จที่รวดเร็ว เหตุใดแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและแบตเตอรี่สำรองอื่นๆ จึงยังคงหมุนเวียนอยู่ในตลาด
นอกเหนือจากปัญหาด้านค่าใช้จ่ายและฟิลด์แอปพลิเคชันที่แตกต่างกันแล้ว เหตุผลอีกประการหนึ่งก็คือความปลอดภัย
ลิเธียมเป็นโลหะที่มีการใช้งานมากที่สุดในโลกเนื่องจากลักษณะทางเคมีของมันมีความว่องไวเกินไป เมื่อโลหะลิเธียมสัมผัสกับอากาศ จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่รุนแรงกับออกซิเจน ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการระเบิด การเผาไหม้ และปรากฏการณ์อื่นๆนอกจากนี้ ปฏิกิริยารีดอกซ์จะเกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ลิเธียมระหว่างการชาร์จและการคายประจุการระเบิดและการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองมีสาเหตุหลักมาจากการสะสม การแพร่กระจาย และการปลดปล่อยของแบตเตอรี่ลิเธียมหลังจากการให้ความร้อนกล่าวโดยย่อ แบตเตอรี่ลิเธียมจะสร้างความร้อนจำนวนมากในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่สูงขึ้นและอุณหภูมิระหว่างแบตเตอรี่แต่ละก้อนไม่สม่ำเสมอ จึงทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ไม่เสถียร
พฤติกรรมที่ไม่ปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ไม่ต้องการความร้อน (รวมถึงการชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปและการคายประจุมากเกินไป การชาร์จและการคายประจุอย่างรวดเร็ว การลัดวงจร สภาวะการใช้กลไกในทางที่ผิด การช็อกจากความร้อนที่อุณหภูมิสูง ฯลฯ) มีแนวโน้มที่จะกระตุ้นปฏิกิริยาข้างเคียงที่เป็นอันตรายภายในแบตเตอรี่และทำให้เกิดความร้อน ทำลายฟิล์มพาสซีฟโดยตรงบนผิวอิเล็กโทรดลบและอิเล็กโทรดบวก
มีหลายสาเหตุที่ทำให้เกิดอุบัติเหตุจากความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตามลักษณะของการทริกเกอร์ มันสามารถแบ่งออกเป็นการทริกเกอร์การละเมิดทางกล การทริกเกอร์การละเมิดทางไฟฟ้า และการทริกเกอร์การละเมิดความร้อนการใช้กลไกในทางที่ผิด: หมายถึงการฝังเข็ม การกดทับ และการกระแทกของวัตถุหนักที่เกิดจากการชนกันของรถการใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด: โดยทั่วไปเกิดจากการจัดการแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เหมาะสมหรือความล้มเหลวของส่วนประกอบไฟฟ้า รวมถึงการลัดวงจร การชาร์จเกิน และการคายประจุเกินการละเมิดความร้อน: เกิดจากความร้อนสูงเกินไปที่เกิดจากการจัดการอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสม

วิธีการทริกเกอร์ทั้งสามนี้มีความสัมพันธ์กันโดยทั่วไปการใช้กลไกในทางที่ผิดจะทำให้ไดอะแฟรมของแบตเตอรี่เสียรูปทรงหรือแตก ทำให้เกิดการสัมผัสโดยตรงระหว่างขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่และเกิดการลัดวงจร ส่งผลให้เกิดการใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิดอย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขของการใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด การเกิดความร้อน เช่น Joule heat จะเพิ่มขึ้น ทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้น ซึ่งพัฒนาเป็นการใช้ความร้อนในทางที่ผิด ทำให้เกิดปฏิกิริยาด้านข้างของการสร้างความร้อนแบบลูกโซ่ภายในแบตเตอรี่ และนำไปสู่การเกิดขึ้นในที่สุด ของการหลบหนีความร้อนของแบตเตอรี่
การระบายความร้อนของแบตเตอรี่เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าอัตราการสร้างความร้อนของแบตเตอรี่นั้นสูงกว่าอัตราการกระจายความร้อนอย่างมาก และความร้อนก็สะสมในปริมาณมากแต่ไม่กระจายไปตามกาลเวลาโดยพื้นฐานแล้ว “การหนีจากความร้อน” เป็นกระบวนการวงจรป้อนกลับพลังงานเชิงบวก อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ระบบร้อนขึ้น และอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นหลังจากที่ระบบร้อนขึ้น ซึ่งจะทำให้ระบบร้อนขึ้น
กระบวนการระบายความร้อน: เมื่ออุณหภูมิภายในแบตเตอรี่สูงขึ้น ฟิล์ม SEI บนพื้นผิวของฟิล์ม SEI จะสลายตัวภายใต้อุณหภูมิสูง ลิเธียมไอออนที่ฝังอยู่ในกราไฟต์จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์และสารยึดเกาะ ทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอีก ถึง 150 ℃ และปฏิกิริยาคายความร้อนครั้งใหม่ที่รุนแรงจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมินี้เมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงกว่า 200 ℃ วัสดุแคโทดจะสลายตัว ปล่อยความร้อนและก๊าซจำนวนมาก และแบตเตอรี่จะเริ่มพองตัวและร้อนขึ้นอย่างต่อเนื่องแอโนดฝังลิเทียมเริ่มทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิ 250-350 ℃วัสดุแคโทดที่มีประจุจะเริ่มเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวอย่างรุนแรง และอิเล็กโทรไลต์จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรุนแรง ปล่อยความร้อนจำนวนมาก ทำให้เกิดอุณหภูมิสูงและก๊าซจำนวนมาก ทำให้เกิดการเผาไหม้และการระเบิดของแบตเตอรี่
ปัญหาการตกตะกอนของลิเธียมเดนไดรต์ระหว่างการชาร์จมากเกินไป: หลังจากชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมโคบาเลตจนเต็มแล้ว ลิเธียมไอออนจำนวนมากจะยังคงอยู่ในขั้วไฟฟ้าบวกกล่าวคือ แคโทดไม่สามารถกักเก็บลิเธียมไอออนที่ติดอยู่กับแคโทดได้อีก แต่ในสภาวะที่มีประจุไฟฟ้ามากเกินไป ลิเธียมไอออนส่วนเกินบนแคโทดจะยังคงว่ายไปยังแคโทดเนื่องจากไม่สามารถบรรจุได้อย่างสมบูรณ์ ลิเธียมโลหะจะก่อตัวขึ้นที่แคโทดเนื่องจากโลหะลิเธียมนี้เป็นผลึกเดนไดรต์ จึงเรียกว่าเดนไดรต์หากเดนไดรต์ยาวเกินไป จะเจาะไดอะแฟรมได้ง่าย ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในเนื่องจากส่วนประกอบหลักของอิเล็กโทรไลต์คือคาร์บอเนต จุดติดไฟและจุดเดือดจึงต่ำ ดังนั้นอิเล็กโทรไลต์จึงเผาไหม้หรือแม้แต่ระเบิดที่อุณหภูมิสูงได้

หากเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ อิเล็กโทรไลต์จะเป็นคอลลอยด์ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดการเผาไหม้ที่รุนแรงขึ้นเพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์พยายามเปลี่ยนวัสดุแคโทดที่ปลอดภัยกว่าวัสดุของแบตเตอรี่ลิเธียมแมงกาเนตมีข้อดีบางประการสามารถมั่นใจได้ว่าลิเธียมไอออนของอิเล็กโทรดบวกสามารถฝังลงในรูคาร์บอนของอิเล็กโทรดลบได้อย่างสมบูรณ์ภายใต้สถานะประจุเต็ม แทนที่จะมีสิ่งตกค้างบางอย่างในอิเล็กโทรดบวก เช่น ลิเธียมโคบาเลต ซึ่งในระดับหนึ่งจะหลีกเลี่ยงการเกิด เดนไดรต์โครงสร้างที่เสถียรของลิเธียมแมงกาเนตทำให้ประสิทธิภาพการออกซิเดชันต่ำกว่าลิเธียมโคบาเลตมากแม้ว่าจะมีการลัดวงจรภายนอก (แทนที่จะเป็นการลัดวงจรภายใน) โดยทั่วไปก็สามารถหลีกเลี่ยงการเผาไหม้และการระเบิดที่เกิดจากการตกตะกอนของโลหะลิเธียมลิเธียมไอรอนฟอสเฟตมีเสถียรภาพทางความร้อนสูงกว่าและความสามารถในการเกิดออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ต่ำกว่า จึงมีความปลอดภัยสูง
การลดทอนอายุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแสดงให้เห็นโดยการลดทอนความจุและการเพิ่มความต้านทานภายใน และกลไกการลดทอนอายุภายในนั้นรวมถึงการสูญเสียวัสดุที่ใช้งานในเชิงบวกและเชิงลบและการสูญเสียลิเธียมไอออนที่มีอยู่เมื่อวัสดุแคโทดมีอายุและผุพัง และความจุของแคโทดไม่เพียงพอ ความเสี่ยงของวิวัฒนาการของลิเธียมจากแคโทดก็มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขของการคายประจุมากเกินไป ศักยภาพของแคโทดต่อลิเธียมจะเพิ่มขึ้นสูงกว่า 3V ซึ่งสูงกว่าศักยภาพในการละลายของทองแดง ทำให้เกิดการละลายของตัวสะสมทองแดงไอออนทองแดงที่ละลายน้ำจะตกตะกอนที่ผิวแคโทดและก่อตัวเป็นเดนไดรต์ทองแดงเดนไดรต์ทองแดงจะผ่านไดอะแฟรม ทำให้เกิดการลัดวงจรภายใน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพความปลอดภัยของแบตเตอรี่อย่างมาก
นอกจากนี้ ความต้านทานการชาร์จมากเกินไปของแบตเตอรี่ที่เสื่อมสภาพจะลดลงในระดับหนึ่ง โดยส่วนใหญ่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในและการลดลงของสารออกฤทธิ์ที่เป็นบวกและลบ ส่งผลให้ความร้อนของจูลเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปภายใต้การชาร์จมากเกินไป อาจเกิดปฏิกิริยาข้างเคียง ทำให้เกิดความร้อนของแบตเตอรี่ในแง่ของเสถียรภาพทางความร้อน วิวัฒนาการของลิเธียมจากแคโทดจะทำให้เสถียรภาพทางความร้อนของแบตเตอรี่ลดลงอย่างรวดเร็ว
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่เก่าจะลดลงอย่างมาก ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่อย่างร้ายแรงวิธีแก้ไขที่พบบ่อยที่สุดคือการติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ด้วยระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ 8000 18650 ที่ใช้ใน Tesla Model S สามารถตรวจจับพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ ของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ ประเมินสถานะการใช้แบตเตอรี่ และดำเนินการวินิจฉัยทางออนไลน์และแจ้งเตือนล่วงหน้าผ่านระบบการจัดการแบตเตอรี่ในขณะเดียวกัน ยังสามารถดำเนินการควบคุมการคายประจุและก่อนการชาร์จ การจัดการสมดุลของแบตเตอรี่ และการจัดการความร้อน