고니켈리튬전지의 안전성은 공감대를 형성했지만, 전고체 리튬전지는 이제 쪼개져
에너지 밀도를 존중하는 전기 자동차 시장은 배터리 팩과 완성차의 안전성에 큰 문제를 가져왔습니다. 2018년 중국에서는 전기 자동차 100만 대당 52건의 안전 사고가 발생했습니다. 장면으로 보면 충전, 운전, 주차는 모두 안전사고가 발생하는 장면이다.
원인을 분석해보면 화재사고의 58%가 리튬전지의 열폭주로 인한 것이다. 열 폭주의 거의 90%는 단락으로 인해 발생합니다. 셀 수준에서 양극 및 음극 물질, 전해질 및 다이어프램은 열 폭주의 직접적인 퓨즈입니다. 그룹화 후 구조 설계, 냉각 및 전기 제어에서 열 확산을 억제하는 방법은 열 폭주의 위험을 줄이거나 억제할 수 있는지 여부와 관련이 있습니다.
2019년 10월 16일부터 17일까지 2019 한중일 차세대 신에너지 자동차 배터리 기술 컨퍼런스가 상하이에서 개최되었습니다. 이 회의는 배터리 열 안전 및 솔루션과 전고체 배터리 핵심 기술 및 산업화 과제에 대한 두 개의 포럼으로 나누어집니다.
포럼 1, OEM, 전력 배터리 회사, 유명 대학, 연구소 및 테스트 기관은 전력 배터리의 특정 에너지 수준이 계속 증가함에 따라 하이 니켈 배터리의 열 폭주에 대한 원인과 솔루션에 대해 논의합니다. 포럼 2는 다양한 전고체 배터리 기술 경로와 현상에 대한 분석입니다.
열 안전성을 보는 시스템
전원 배터리의 전체 수명주기는 재료 시스템의 선택에서 배터리 셀의 완성, 모듈 및 PACK의 성형, 설치 및 적용 후 배터리 관리, 차량 작동에 사용에 이르기까지 시작됩니다.
열폭주의 근본 원인은 배터리 셀입니다. 양극 및 음극은&'퓨즈&'입니다. 전해질은&"연료 저장고&"입니다."spark" 열폭주 또는 화재의 원인이 됩니다.
& quot;스파크& quot; 세포 내부에서 나오거나 외부에서 발생합니다. 내부 요인은 주로 배터리 설계 및 제조 과정에서 발생하는 불안정한 요인을 말합니다. 외부 요인은 주로 배터리 운송, 설치, 작동 및 유지 보수 과정에서 인력 및 외부 조건으로 인한 원인을 말합니다.
배터리의 열 안전 고장은 주로 배터리 내부의 단락을 일으키는 국부적인 과열로 인해 발생하거나 마이크로 단락으로 인해 배터리 다이어프램이 손상되고 더 넓은 면적의 단락이 발생합니다.
리튬 이온 배터리가 NCM111 및 NCM523에서 NCM622 및 NCM811로 업그레이드되었습니다. 양극 삼원 물질의 니켈 함량은 계속 증가하고 산소 방출 온도는 계속 떨어지고 양극 물질의 열 안정성은 점점 나빠지고 있습니다. 산소 방출 온도의 감소는 리튬 배터리가 더 내열성이 있음을 의미합니다. 온도가 상승함에 따라 양극 물질은 층상 구조에서 스피넬 구조로 변화하여 암염을 형성하고 활성 산소를 방출합니다. 암염의 성장과 산소의 방출은 열폭주로 인한 근본적인 문제입니다.
전기화학적 남용은 배터리 셀 공장에서 가장 골치 아픈 문제입니다. 열 충격, 과충전 및 과방전과 같은 남용 조건에서 배터리 내부의 활성 물질과 전해질은 리튬 덴드라이트를 생성하여 다이어프램을 뚫고 내부 단락을 유발합니다. 음극에서 리튬 발생은 리튬 덴드라이트 성장의 주요 원인입니다. 따라서 리튬 덴드라이트를 방지하는 방법이 중요한 문제입니다.
다이어프램의 고장으로 인한 양극과 음극의 단락은 열폭주의 중요한 부분입니다. SEI 필름의 안전 필름이 파괴되면 전해질이 전극과 반응하여 열이 발생하여 다이어프램이 녹습니다. 더욱이 다이어프램에 직면한 적은 리튬 수지상 돌기이므로 무결성과 안정성을 위협합니다.
내부 단락, 과충전, 배터리 노화 등으로 인한 배터리 고장 외에도 외부 단락, 압출, 화재, 침수 및 시뮬레이션 충돌과 같은 극한 조건에서의 기계적 고장도 내부 단락으로 변환되어 전기적 결국 열 폭주로 이어질 것입니다.
배터리& #39;의 전체 수명 주기 동안 발생할 수 있는 일부 고장 및 성능 저하로 인해 배터리가 안전한 사용 범위를 넘어 사용되어 일부 안전 사고가 발생할 수 있습니다.
배터리 공장과 OEM 협력
열폭주의 내부 및 외부 원인은 양극 및 음극 재료, 분리막, 전해질, 배터리 관리 및 PACK 구조 설계를 포함한 전체 솔루션을 제공하기 위해 배터리 제조업체와 OEM의 협력이 필요합니다.
배터리 공장의 경우 고압 및 고온 내성 난연성 전해질, 고온 내성 단결정 양극재, 리튬 덴드라이트를 억제하는 음극재를 찾거나 건조를 개선하기 위해 안정제를 코팅한 NMC811 양극재를 사용합니다. 프렌치 다이어프램의 적용은 세라믹 다이어프램을 도입하여 셀 수준에서 열 폭주를 억제합니다.
OEM의 경우 배터리 자체의 안전성에 주의를 기울이는 것만으로는 충분하지 않습니다. 배터리 자체의 문제 외에도 배터리 전기 연결, 기계적 안전, 충전 연결, 일상 사용 문제 및 문제의 신속한 처리가 전기 자동차 안전의 핵심입니다.
OEM'의 전원 배터리 안전 보호 시스템은 단량체, 모듈, BMS 및 시스템의 4가지 측면에서 설계 및 검증되었습니다. 한편으로 배터리 제조업체는 설계 및 제조 링크에서 안전을 보장합니다. 반면에 OEM은 안전 여유 공간, 힘 설계 및 보호와 같은 모듈 안전의 관점에서 기계적, 전기적 및 열적 안전을 고려합니다.
조립 구조 측면에서 OEM은 냉각 파이프라인, 새로운 냉각 기술, 열폭주 조기 경보 및 비확산뿐 아니라 차량의 다양한 작동 조건을 고려해야 합니다. 동시에 능동소화와 외부구조물을 통한 화재진압을 고려해야 한다.
OEM은 일반적으로 시스템 수준에서 배터리 팩 안전 설계를 개선하는 방법에 대해 생각합니다. 양극재든 음극재든 전해질, 격막, 구조설계, 냉각, 열관리, 그룹 후 PACK의 예방적 경고 등 모두 OEM 분석의 대상이다.
리튬 배터리의 안전성은 재료, 생산, 응용에 이르기까지 모든 측면을 포함하는 큰 주제입니다. 전기 자동차의 열 안전을 보장하려면 열 폭주의 메커니즘을 분석하고 열 폭주의 발생을 지연시키는 새로운 기술을 모색하기 위해 OEM, 배터리 공장 및 시험 기관의 협력이 필요합니다.
전고체 배터리의 다양한 소리
전기 자동차의 전진 이동은 전원 배터리의 특정 에너지 표준이 후진하지 않을 것임을 나타냅니다. 고전위 양극 및 음극 재료의 적용이 추세가되었으며 NCM811 및 실리콘 탄소 양극이 배터리 공장의 기술 경로에 점점 더 많이 등장하고 있습니다. 그러나 화재의 위험은 여전히 높은 니켈 배터리의 적용을 위협합니다. 따라서 배터리 제조업체와 OEM은 특정 에너지와 안전 간의 균형 문제를 해결하기 위해 난연성, 고압 저항 고체 전해질에 관심을 돌렸습니다.
그러나 이번 한중일 컨퍼런스에서 전고체전지 연구와 응용에 대한 중국인과 일본인의 입장이 크게 달라 업계 고유의 전고체전지에 대한 견해에 도전한다. . 하이-니켈 안전 솔루션 현장의 공동 노력에 비해 전고체 전지 현장은 차이를 두고 전진하고 있다.
일본의 30년 경력의 전고체 전지 전문가 쿠보타 다다히코 박사, 일본의 전 도요타·혼다 전지 핵심 전문가 오기 에이키(Ogi Eiki) 박사는 전고체 전지 연구 현황에 대한 논평을&'비관적&' ;. 전고체 배터리를 전기 자동차에 적용하는 것은 상당히 어렵습니다. 한편 칭다오, 웨이란, 혜능, 궈쉬안하이테크, 중국과학원, 퉁지대학교, 상하이교통대학교 등 국내 배터리 공장들은 모두 전고체 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.
일본 전문가들의 의견은 다음과 같이 요약할 수 있다. 도요타 설파이드는 아직 연구개발 단계에 있고, 현재 수준의 기술로는 양산이 불가능하다. 전고체 배터리 개발의 원래 의도는 하이브리드 차량용 배터리를 줄이는 것이었습니다. 외부 세계는 전고체 배터리가 전기 자동차에 사용된다고 잘못 믿고 있습니다. 이것이 Toyota'의 내부 사고와 외부 여론의 차이입니다.
안전성 면에서 전고체 배터리도 리튬 덴드라이트를 생성할 수 있어 안전성이 매우 우려된다. 그리고 전해질이 가연성인지 여부로 안전성을 판단할 수 없습니다. 가장 중요한 문제는 에너지 밀도가 높은 양극과 음극의 직접적인 접촉이다.
전고체 전지는 에너지 밀도를 높일 수 있는데, 그 이유 중 하나는 외부 재료를 줄일 수 있기 때문입니다. 그러나 이것은 단지 전고체 전지의 특징이 아닙니다.
급속 충전과 관련하여 Toyota'#39;의 논문과 대부분의 연구자들은 모든 고체 배터리가 급속 충전될 수 있다는 증거를 확인하지 못했습니다. 그들은 모두 충전 중에 리튬 수지상이 형성된다고 말했습니다. 전고체 배터리를 이해하는 사람이 많을수록 빠르게 충전할 수 있다는 사실을 부정합니다.
지난 10년 동안 Toyota'의 대부분의 특허는 임피던스와 관련이 있습니다. 10년 전부터 이 문제를 연구해 왔으며 여전히 큰 문제입니다.
국내 배터리 공장 전망: 실제 화재 확산은 유기 액체 전해질과 직결된다. 폴리머에서 세라믹 전해질에 이르는 고체 전해질은 배터리 안전성을 다양한 정도로 향상시킬 수 있습니다. 전고체 배터리는 안전성과 에너지 밀도 측면에서 과거 기존의 기존 리튬 이온 배터리에 비해 개선되었습니다. 전제는 인터페이스 문제를 해결하고 고체 전해질이 배터리 설계에 적응하고 높은 비율의 에너지 배터리 요구 사항을 충족할 수 있도록 보장하는 좋은 기술이 있어야 한다는 것입니다.
우리는 솔리드 스테이트 배터리가 몇 가지 측면에서 장점이 있다고 믿습니다. 다이어프램과 전해질을 고체 물질로 교체하면 안전성이 높아집니다. 전체 시스템의 안전 임계값이 증가하면 이 시스템은 리튬 금속 음극과 같은 고전위 양극 및 음극 재료를 사용할 수 있으며 미래에 더 높은 에너지 밀도를 갖게 될 것입니다.
현재의 생각은 기존의 리튬 배터리 장비 및 리튬 배터리 기술과 최대한 호환되고 비용을 최대한 줄이는 것입니다. 전고체 배터리는 에너지 밀도가 높고 안전성이 높기 때문에 특수한 상황에서 먼저 사용할 수 있습니다.
고체 배터리의 에너지 밀도 이점은 셀 수준에서 상대적으로 명확하지 않으며 PACK 수준에서 더 두드러집니다. 2021년까지 전고체 전지는 활용률이 높은 활물질을 사용하고 전지 수준의 에너지 밀도는 액체 전지와 같으며 점차 추월할 것이다.
국내외 전문가들은 전고체전지의 에너지 밀도와 안전성에 대해 논란이 있지만, 기본적으로는 전고체전지의 상용화가 액체전지의 단점을 일부 해결하기 위해서는 긴 과정이라고 생각하고 있다. 따라서 전고체 배터리는 오토바이와 소비자 가전 분야에서 먼저 수입한 다음 안전, 성능, 비용의 3차원이 성숙해지면 전기 자동차 분야에 진출할 수 있습니다.
