Yüksek sıcaklık ortamında litiyum demir fosfat pillerin aşırı şarj toleransı

Litiyum demir fosfat bataryaları, yüksek enerji yoğunluğu, yüksek güvenlik, yüksek sıcaklığa dayanıklılık, düşük maliyet, birçok çevrim ve uzun ömür gibi avantajlara sahip olup, elektrikli taşıtlar ve enerji depolama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Gerçek uygulama gereksinimlerini karşılamak için genellikle büyük bir miktar tek hücre seri veya paralel olarak bağlanarak bir batarya paketi oluşturulur. Ancak, bu yüksek-enerji sistemi termal kaos meydana geldiğinde daha ciddi sonuçlara neden olabilir.

Şarj fazlalığı ve aşırı ısınma, batarya termal kaosuna yol açan ana faktörlerden kabul edilir, ancak genellikle yalnızca tek bir faktör testi yapılır ve yangının çıkıp çıkmamasına veya patlama olup olmamasına göre geçme ya da kalma kararı verilir. Gerçek hayattaki batarya termal kaos senaryosunda, erken aşamada tek bir faktör tarafından sebep olabilir, ancak termal kaos süreci ilerledikçe, birden fazla faktörün birlikte etkileşimi ve sürüklenmesiyle sonuçlar daha ciddi hale gelir. Çeşitli kötü koşullar altında litijum-ferrofosfat litijum-iyon bataryalarının koplama etkisi üzerine araştırmak pratik anlamda önem taşır. Şarj fazlalığı, batarya yangınlarının önemli bir nedeni olarak kabul edilir. Tüketici bataryaları için erken aşamadaki şarj fazlalığı standartı 3C/4.8V idi. Tüketici bataryaları genellikle tek başına kullanılır ve batarya teknolojisinin ilerlemesiyle beraber, şarj fazlalığı nedeniyle termal kaosun olması önemli ölçüde azaltılmıştır ve şu anki standartlar şarj fazlalığı için gereksinimleri önemli ölçüde gevşetmiştir. Aşırı ısınma testleri genellikle 130°C veya 85°C sıcaklığında diyafgramın erimesi ya da katı elektrolit arayüzü (SEI) filmi parçalanması gibi durumları simüle eder.

Pillerin güvenlik sorunu temel olarak pillerin termal özellikleridir. D.P. Kong ve diğerleri, yerel ısıtma farklı pozisyonlarda lithium demir fosfat litiyum-iyon pillerinin termal özelliklerini inceledi ve pilin altını ısıtmak, diğer pozisyonları ısıtmaya göre daha fazla termal kaos (thermal runaway) riski taşıdığını buldu. P.J. Liu ve diğerleri, aşırı ısınma ve aşırı şarj olma gibi iki kötü kullanım yönteminin lithium demir fosfat litiyum-iyon pillerinde termal kaosa etkilerini inceledi. Sonuçlar, aşırı ısınmaya kıyasla, aşırı şarjın yangına neden olma riskinin daha yüksek olduğunu ve pilin test sırasında daha şiddetli yanacağını gösterdi. Termal kaos aynı zamanda pilin şarj durumu (SOC) ile önemli ölçüde ilgilidir. Örneğin, P.J. Liu ve diğerleri, modüldaki komşu pillerin kötü kullanımı tarafından tetiklenen termal kaos sürecini simüle etmek için bir ısıtma plakası kullandı ve %50 SOC'un tetikleme sıcaklığının %100 SOC pillerinden daha yüksek olduğunu buldu. K. Wang ve diğerleri, lithium demir fosfat litiyum-iyon pilleri üzerinde 0.5C'de bir aşırı şarj testi gerçekleştirdi ve pilin termal kaosunda çıkan gazların ana bileşenlerinin hidrojen (H2), karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO2) olduğu yanı sıra çeşitli alkanların da içerdiğini tespit etti.

Pillerin büyük ölçekli seri ve paralel bağlantısı, bir pilinde sorun olması durumunda sıcaklığın yayılması nedeniyle tüm pil paketinin yanıp patlama riskini büyük ölçüde artırır. Sadece bu değil, üretilen yanıcı gazların havaya karışması daha ciddi bir patlama nedeni olabilir.

Gerçekteki uygulama senaryolarında pil güvenliğini artırmak için, pilin çeşitli kötü koşullara karşı dayanıklılığını artırmak gereklidir ve bu da akademik ve endüstriyel dikkat odak noktası haline gelmektedir.

Ayrıca, pil kullanılırken tamamen güçsiz kalmadan öncesinde şarj edilmesi gerekir; aksi takdirde pille ilgili tersine dönülemeyen hasarlara neden olabilir.

Lityum demir fosfat pilleri tam şarj olduktan sonra hemen şarj edilmesi durdurulmalıdır; aksi takdirde pilin aşırı şarj olması, pilin ömrünü kısaltma veya kısa devre gibi tehlikeli durumlara neden olur.

Pilin yüksek sıcaklıkta kullanımı, performansını etkileyecek şekilde de olur.

Sabit akım boşaltma yöntemi, pilin sabit bir hızda enerji serbest bırakmasını sağlayarak boşaltma akımının boyutunu kontrol etmeyi içerir. Litijum demir fosfat pillerinin hızlı boşaltımı için uygundur.