In den letzten zwei Jahrzehnten Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer herausragenden Leistung häufig in tragbaren Geräten wie Telefonen, Laptops und tragbaren Netzteilen verwendet. Sie werden wegen ihrer hohen Energiedichte, langen Zyklenlebensdauer, minimalen Memory-Effekt und kontrollierbaren Formgestaltung bevorzugt und spielen im Leben der Menschen eine äußerst wichtige Rolle.
Darüber hinaus haben sich Lithium-Ionen-Batterien in den letzten fünf Jahren auch als beste Energiequelle für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge und Elektrofahrzeuge etabliert. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien großen Komfort bieten, bergen sie auch einige potenzielle Gefahren, und es kommt gelegentlich zu Unfällen durch Verbrennung und Explosion.
Da Lithium-Ionen-Batterien im Leben der Menschen eine immer wichtigere Rolle einnehmen, hat ihre Sicherheitsleistung immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Hier besprechen wir, warum Lithium-Ionen-Batterien nach wie vor eine unserer zuverlässigsten Energiequellen sind und was getan wird, um sicherzustellen, dass sie sicher bleiben.
Inhaltsverzeichnis
Warum Lithium-Ionen-Batterien aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind
Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Batterien
Der Bewertungsindex für die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien
Strategien zur Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien
Empfehlungen zur Batterienutzung und -wartung
Warum Lithium-Ionen-Batterien aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind
Seit dem Ende des 19. bis Anfang des 20. Jahrhunderts ist elektrische Energie mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik und der Notwendigkeit der industriellen Entwicklung zu einer unverzichtbaren Energiequelle für den Menschen geworden. Wir haben lange nach Geräten gesucht und diese entwickelt, die elektrische Energie effizient speichern können. Wir haben es mit Kondensatoren, Druckluft-Energiespeichern, Flüssigluft-Energiespeichern usw. versucht und uns schließlich für chemische Batterien entschieden.
Die früheste chemische Batterie lässt sich auf die Blei-Säure-Batterie aus dem 19. Jahrhundert zurückführen. Dann, nach 200 Jahren kontinuierlicher Entwicklung, wurde die Lithium-Ionen-Batterie geboren. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, langen Lebensdauer, geringen Umweltbelastung und anderer Faktoren wurden Lithium-Ionen-Batterien schnell zur weltweit am häufigsten verwendeten Batterie.
Lithium-Ionen-Batterien werden heute in verschiedenen Bereichen eingesetzt, insbesondere in den Bereichen Energie, Kommunikation, wissenschaftliche Forschung, Luft- und Raumfahrt und aufstrebende Industrien. Statistiken zufolge belief sich Chinas Marktkapazität für Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 2016 auf 65.4 GWh und wuchs in den nächsten fünf Jahren auf 324.0 GWh im Jahr 2021. Zwischen 2016 und 2020 stieg der weltweite Marktanteil chinesischer Lithium-Batterie-Unternehmen von 50 % bis 73 %. Aufgrund der Auswirkungen der Epidemie sank sie dann auf 70 %.
Sicherheitsprobleme bei Lithium-Ionen-Batterien
Gefahren im Produktionsprozess
Lithium verfügt über äußerst aktive chemische Eigenschaften, sodass im Produktionsprozess das Elektrodenmaterial und der Elektrolyt von Lithium-Ionen-Batterien mit steigender Innentemperatur ein Sicherheitsrisiko darstellen. Andererseits kommt es bei der Verwendung eines Elektrolytsystems aufgrund der geringen Zersetzungsspannung des organischen Lösungsmittels leicht zu Oxidation, was dazu führen kann, dass die Batterie Feuer fängt oder sogar explodiert, wenn ein Leck auftritt. Darüber hinaus können die Struktur des Elektrodenmaterials und die Wahl des Diaphragmas oder Elektrolyten usw. zusätzliche Sicherheitsprobleme aufwerfen.
Sicherheitsrisiken während der Nutzung
Auch im Einsatz bergen Lithium-Ionen-Akkus Sicherheitsrisiken. Beispielsweise kann übermäßiges Laden und Entladen während des Gebrauchs die interne Struktur des Akkus beschädigen, was zu einem Auslaufen des Akkus, Bränden und anderen Problemen führen kann. Mit der kontinuierlichen Verbesserung und Reife der Batteriemanagementsystem-Technologie (BMS) sind diese jedoch unwahrscheinlich geworden. Darüber hinaus kann die interne Struktur des Lithium-Ionen-Akkus beschädigt werden, wenn der Lithium-Ionen-Akku gequetscht, durchstochen oder einem Stoß ausgesetzt wird, was zu ähnlichen Problemen führen kann.
Sicherheitsrisiken beim Recycling
Mit dem großflächigen Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien steigt auch die Zahl ausgemusterter Batterien von Jahr zu Jahr. Beim Recycling ausgemusterter Batterien können giftige Stoffe wie Kobalt und Nickel aus den Batterien austreten und eine Gefahr für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellen. Wenn die innere Struktur der Batterie beschädigt wird oder die elektrische Restenergie freigesetzt wird, erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit eines Brandes.
Der Bewertungsindex für die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien
Im Folgenden werfen wir einen Blick auf den Sicherheitsbewertungsindex von Lithium-Ionen-Batterien, um besser zu verstehen, was die verschiedenen Bewertungen aussagen:
IEC62133 ist der Sicherheitsprüfstandard für Lithium-Ionen-Batterien und -Batterien sowie die Sicherheitsanforderung für die Prüfung von Sekundärbatterien und Batterien, die alkalische oder nicht saure Elektrolyte enthalten. Es wird zum Testen von LiBs verwendet, die in tragbaren Elektronikgeräten und anderen Anwendungen verwendet werden. IEC62133 befasst sich mit chemischen und elektrischen Gefahren sowie mechanischen Problemen wie Vibrationen und Stößen, die eine Gefahr für Verbraucher und die Umwelt darstellen können.
UN/DOT38.3 (auch bekannt als T1-T8-Test und UNST/SG/AC.10/11/Rev.5) deckt alle Transportsicherheitstests für LIBs, Lithium-Metall-Batterien und Batterien im Allgemeinen ab. Der Teststandard besteht aus acht Tests (T1-T8), die sich alle auf bestimmte Transportgefahren konzentrieren. UN/DOT38.3 ist ein Selbstzertifizierungsstandard, der keine unabhängigen Tests durch Dritte erfordert. Der Einsatz externer Testlabors ist jedoch üblich, um das Risiko eines Rechtsstreits im Falle eines Unfalls zu verringern.
IEC62619 deckt die Sicherheitsstandards für sekundäre Lithiumbatterien und Batteriepacks ab und spezifiziert die Sicherheitsanwendungsanforderungen für LIB in der Elektronik und anderen industriellen Anwendungen. Die Testanforderungen der Norm IEC62619 eignen sich für stationäre und dynamische Anwendungen. Zu den stationären Anwendungen gehören Telekommunikation, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), elektrische Energiespeichersysteme, Netzschalter, Notstromversorgungen und ähnliche Anwendungen. Zu den Energieanwendungen zählen Gabelstapler, Golfwagen, fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs), Eisenbahnen und Schiffe, ausgenommen Straßenfahrzeuge.
UL1642 ist der UL-Standard für die Sicherheit von Lithiumbatterien, der die Standardanforderungen für primäre und sekundäre Lithiumbatterien festlegt, die als Stromquellen in elektronischen Produkten verwendet werden. Die technische Abdeckung umfasst sowohl Lithiumbatterien, die von professionellen Technikern verwendet werden, als auch solche, die von normalen Benutzern verwendet werden. Von professionellen Technikern verwendete Lithiumbatterien sollten 5 Gramm oder weniger Lithiummetall pro Batterieeinheit enthalten, während der Inhalt in Batterien für den Verbrauchergebrauch 1 Gramm nicht überschreiten sollte. Batterien, die diese Standards überschreiten, erfordern weitere Inspektionen und Tests, um festzustellen, ob die Batterie für den vorgesehenen Zweck verwendet werden kann. UL1642 deckt nicht das Toxizitätsrisiko aufgrund der Einnahme von Lithiumbatterien oder der Exposition gegenüber Lithiummetall aufgrund von Batterieschäden oder -schnitten ab.
UL2580 ist der UL-Batteriesicherheitsstandard für Elektrofahrzeuge und besteht aus einer Reihe von Tests, darunter: Kurzschluss von Hochstrombatterien, Batteriequetschung und Batteriezellenquetschung (vertikal).
Strategien zur Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien werden häufig in Elektrofahrzeugen, Energiespeichersystemen, Unterhaltungselektronik und anderen Produkten eingesetzt und ihre Sicherheit steht in direktem Zusammenhang mit dem Leben der Menschen. Batterieunfälle, die beispielsweise durch thermisches Durchgehen, Explosionen usw. verursacht werden, können zu schweren Verletzungen und Sachschäden führen.
Zu den jüngsten Entwicklungen im Zusammenhang mit der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gehören:
Neue technologische Entwicklungen
Die Einführung neuer Sicherheitstechnologien wie Ecovoltas elektrolytisch vernickeltes kaltgewalztes Band aus Batterieanschlüssen, das bei Auftreten eines Problems automatisch defekte Batterien vom Rest des Batteriepakets trennt, hilft, Unfälle zu vermeiden. Darüber hinaus werden die strukturellen Designs von Batteriepacks ständig durch stärkere Materialien und hochfeste Verpackungstechnologie verbessert, um ihnen zu helfen, äußeren Stößen standzuhalten.
Optimieren Sie die Batteriemanagementsysteme (BMS), stärken Sie die Echtzeitüberwachung des Batteriestatus und erkennen und beheben Sie Anomalien rechtzeitig. Darüber hinaus werden ständig sicherere Batteriematerialien entwickelt und implementiert, beispielsweise verbesserte Zusammensetzungen in positiven Elektroden, negativen Elektroden und Elektrolyten, um das Risiko eines thermischen Durchgehens zu verringern.
Andere Strategien umfassen die Optimierung des Batteriedesigns, beispielsweise den Einsatz von Dünnschichtelektroden, Siliziumanoden und anderen neuen Technologien zur Verbesserung der thermischen Stabilität der Batterie. Die Verbesserung der Batterieschutzvorrichtungen, wie z. B. der Einsatz von flammhemmenden Materialien zwischen positiven und negativen Elektroden, explosionsgeschützten Membranen usw., trägt ebenfalls dazu bei, die Auswirkungen von Kurzschlüssen und thermischem Durchgehen zu verringern.
Wissenschaftliche Forschung
Im Allgemeinen bestehen die meisten Lithium-Ionen-Batterien aus Polyolefinmembranen, flüssigen organischen Elektrolyten (einschließlich Vinylcarbonat, Diethylcarbonat und Dimethylcarbonat), Lithiumsalzen sowie positiven und negativen Elektroden. Die geringe thermische Stabilität und Entflammbarkeit von Diaphragma und Elektrolyt gelten allgemein als Hauptgründe für die Verbrennung und Explosion von Lithium-Ionen-Batterien. Daher ist es von großer Bedeutung, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien aus Sicht des Diaphragmas und der Elektrolyte zu verbessern. Einerseits können Forscher durch den Einbau flüssiger Flammschutzmittel auf Phosphatbasis eine deutliche Reduzierung der Entflammbarkeit der Elektrolyte erreichen und die elektrochemische Leistung von Lithiumbatterien verbessern. Bei hohen Temperaturen erzeugte Phosphor-Sauerstoff-Radikale können die bei der Verbrennung entstehenden freien Radikale aktiv einfangen und so die Verbrennung beenden. Andererseits haben Forscher eine beträchtliche Anzahl an Membranen auf anorganischer Basis entwickelt, die häufig zur Verbesserung der thermischen Stabilität und Porosität der Membranen eingesetzt werden und Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Sicherheitsleistung und eine hervorragende elektrochemische Leistung verleihen.
Solide Recyclingsysteme
Wie bereits erwähnt, nimmt mit der großflächigen Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien auch die Zahl der ausgemusterten Batterien von Jahr zu Jahr zu, und die Einrichtung eines soliden Recyclingsystems für Lithium-Ionen-Batterien ist für die rationelle Nutzung von großer Bedeutung Ressourcen, Umweltschutz und die Förderung der Entwicklung neuer Energiewirtschaft. Der Bau eines stillgelegten Lithium-Ionen-Batteriesystems umfasst viele Aspekte, darunter Batteriespeicherung und Transportmanagement, Forschung und Entwicklung der Recyclingtechnologie, Batteriedesign, Einrichtung eines neuen Quellensystems, Werbung und Popularisierung. Für Einzelpersonen ist es außerdem wichtig, die Richtlinien zum sicheren Recycling durch ein Verständnis für die Gefahren von Batterien und die sichere Praxis des Recyclings von Batterien gemäß den Vorschriften zu ergänzen.
Während Lithium-Ionen-Batterien während der Herstellung, Verwendung und des Recyclingprozesses gewisse Sicherheitsrisiken bergen, kann ihre Sicherheit wirksam verbessert werden, indem der Produktionsprozess optimiert, der Einsatz von Anleitung und Aufsicht verstärkt und ein solides Recycling- und Behandlungssystem eingerichtet wird. Man geht davon aus, dass die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie und der Anwendung neuer Materialien weiter verbessert wird, was mehr Komfort und Sicherheit in unser Leben bringt.
Empfehlungen zur Batterienutzung und -wartung
Richtiges Laden: Verwenden Sie zum Laden die Original- oder kompatiblen Ladegeräte des Akkus und vermeiden Sie die Verwendung inkompatibler Ladegeräte. Lassen Sie den Akku vor dem Laden nicht vollständig entladen; Versuchen Sie zu laden, wenn der Akkustand weniger als 20 % beträgt. Wählen Sie beim Laden das langsame Laden, sofern verfügbar, und vermeiden Sie das schnelle Laden, um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern.
Richtige Verwendung: Vermeiden Sie einen längeren Betrieb unter hoher Belastung, um eine Überhitzung des Akkus zu vermeiden. Bei normalem Gebrauch sollte die Batterie auf einer angemessenen Temperatur gehalten werden und die Batterie weder hohen noch niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Vermeiden Sie außerdem, den Akku über einen längeren Zeitraum im Ruhezustand zu lassen, damit die Akkuleistung nicht nachlässt.
Lagerung: Wenn Sie den Akku längere Zeit nicht verwenden möchten, lagern Sie ihn in einer trockenen, kühlen Umgebung (im Gegensatz zu einer Umgebung mit hohen oder niedrigen Temperaturen). Bei der Lagerung sollte die Leistung des Akkus etwa 50 % betragen, um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern.
Vermeiden Sie übermäßiges Laden und Entladen: Laden Sie den Akku nicht auf 100 % auf und lassen Sie ihn nicht auf 0 % entladen – versuchen Sie, ihn im Bereich von 20–80 % zu halten. Überladung und Entladung können die Lebensdauer des Akkus verkürzen.
Überprüfen Sie regelmäßig die Batterieleistung: Wenn Sie feststellen, dass die Lebensdauer des Akkus erheblich verkürzt ist oder die Leistung nachgelassen hat, überprüfen Sie den Akku oder tauschen Sie ihn gegebenenfalls aus.
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