Baterie litowe to najszybciej rozwijający się system baterii w ciągu ostatnich 20 lat i są szeroko stosowane w produktach elektronicznych.Niedawna eksplozja telefonów komórkowych i laptopów jest w zasadzie eksplozją baterii.Jak wyglądają baterie do telefonów komórkowych i laptopów, jak działają, dlaczego wybuchają i jak ich unikać.
Skutki uboczne zaczynają się pojawiać, gdy ogniwo litowe zostanie przeładowane do napięcia wyższego niż 4,2 V.Im wyższe ciśnienie przeciążenia, tym większe ryzyko.Przy napięciach wyższych niż 4,2 V, gdy w materiale katody pozostaje mniej niż połowa atomów litu, ogniwo często zapada się, powodując trwały spadek pojemności akumulatora.Jeśli ładowanie będzie kontynuowane, na powierzchni materiału katody będą gromadzić się kolejne metale litu, ponieważ ogniwo magazynujące katodę jest już pełne atomów litu.Te atomy litu tworzą kryształy dendrytyczne z powierzchni katody w kierunku jonów litu.Kryształy litu przejdą przez papier membrany, powodując zwarcie anody i katody.Czasami akumulator eksploduje, zanim nastąpi zwarcie.Dzieje się tak, ponieważ podczas procesu przeładowania materiały takie jak elektrolity pękają, wytwarzając gaz, który powoduje pęcznienie i pękanie obudowy akumulatora lub zaworu ciśnieniowego, umożliwiając tlenowi reakcję z atomami litu zgromadzonymi na powierzchni elektrody ujemnej i eksplozję.
Dlatego podczas ładowania baterii litowej należy ustawić górną granicę napięcia, biorąc pod uwagę żywotność, pojemność i bezpieczeństwo baterii.Idealna górna granica napięcia ładowania wynosi 4,2 V.Powinien istnieć również niższy limit napięcia podczas rozładowywania ogniw litowych.Gdy napięcie ogniwa spadnie poniżej 2,4 V, część materiału zaczyna się rozkładać.A ponieważ akumulator będzie się samorozładowywał, im dłużej napięcie będzie niższe, dlatego najlepiej nie rozładowywać 2,4V, żeby się zatrzymać.Od 3,0 V do 2,4 V baterie litowe uwalniają tylko około 3% swojej pojemności.Dlatego 3,0 V jest idealnym napięciem odcięcia rozładowania.Podczas ładowania i rozładowywania oprócz ograniczenia napięcia konieczne jest również ograniczenie prądu.Gdy prąd jest zbyt wysoki, jony litu nie mają czasu przedostać się do ogniwa magazynującego i będą gromadzić się na powierzchni materiału.
Gdy jony te zdobywają elektrony, krystalizują atomy litu na powierzchni materiału, co może być równie niebezpieczne jak przeładowanie.Jeśli obudowa baterii pęknie, eksploduje.Dlatego ochrona akumulatora litowo-jonowego powinna obejmować przynajmniej górną granicę napięcia ładowania, dolną granicę napięcia rozładowania i górną granicę prądu.Ogólnie rzecz biorąc, oprócz rdzenia baterii litowej będzie znajdować się płyta ochronna, która ma głównie zapewniać te trzy zabezpieczenia.Jednak płyta ochronna tych trzech zabezpieczeń jest oczywiście niewystarczająca, globalne zdarzenia wybuchu baterii litowej lub częste.Aby zapewnić bezpieczeństwo systemów akumulatorowych, konieczna jest dokładniejsza analiza przyczyny eksplozji akumulatorów.
Przyczyna eksplozji:
1. Duża polaryzacja wewnętrzna;
2. Nabiegunnik pochłania wodę i reaguje z bębnem z elektrolitem;
3.Jakość i działanie samego elektrolitu;
4. Ilość wtryskiwanej cieczy nie może spełniać wymagań procesu;
5. Wydajność uszczelnienia podczas spawania laserowego jest słaba w procesie przygotowania i wykryto wyciek powietrza.
6. Kurz i pył nabiegunnikowy mogą łatwo spowodować mikrozwarcie;
7. Płyta dodatnia i ujemna grubsza niż zakres procesu, trudna do łuskania;
8. Problem z uszczelnieniem wtrysku cieczy, słaba skuteczność uszczelniania stalowej kuli prowadzi do bębna gazowego;
9. Ścianka przychodzącego materiału skorupy jest zbyt gruba, odkształcenie skorupy wpływa na grubość;
10. Główną przyczyną eksplozji jest także wysoka temperatura otoczenia na zewnątrz.
Typ eksplozji
Analiza rodzaju eksplozji Rodzaje eksplozji rdzenia baterii można sklasyfikować jako zwarcie zewnętrzne, zwarcie wewnętrzne i przeładowanie.Termin „zewnętrzny” odnosi się tutaj do zewnętrznej strony ogniwa, w tym do zwarcia spowodowanego słabą izolacją wewnętrznego zestawu akumulatorów.Kiedy na zewnątrz ogniwa wystąpi zwarcie, a elementy elektroniczne nie odetną pętli, ogniwo będzie generować wewnątrz duże ciepło, powodując odparowanie części elektrolitu, czyli obudowy akumulatora.Gdy wewnętrzna temperatura akumulatora osiągnie 135 stopni Celsjusza, dobrej jakości papier membranowy zamknie drobny otwór, reakcja elektrochemiczna zostanie zakończona lub prawie zakończona, prąd spadnie, a temperatura również powoli spadnie, unikając w ten sposób eksplozji .Jednak papier membranowy o słabej szybkości zamykania lub taki, który w ogóle się nie zamyka, będzie utrzymywał ciepło akumulatora, odparowywał więcej elektrolitu i ostatecznie rozerwał obudowę akumulatora, a nawet podniósł temperaturę akumulatora do punktu, w którym materiał się pali i eksploduje.Wewnętrzne zwarcie jest spowodowane głównie przez zadziory folii miedzianej i aluminiowej przebijające membranę lub dendrytyczne kryształy atomów litu przebijające membranę.
Te drobne, przypominające igły metale mogą powodować mikrozwarcia.Ponieważ igła jest bardzo cienka i ma pewną wartość rezystancji, prąd nie musi być koniecznie bardzo duży.Zadziory miedzianej folii aluminiowej powstają w procesie produkcyjnym.Zaobserwowanym zjawiskiem jest zbyt szybkie wyciekanie baterii, a większość z nich może zostać wyeliminowana przez fabryki ogniw lub montażownie.A ponieważ zadziory są małe, czasami się wypalają, dzięki czemu akumulator wraca do normalnego stanu.Dlatego prawdopodobieństwo eksplozji spowodowanej mikrozwarciem żarnowym nie jest wysokie.Taki pogląd często może spowodować ładowanie z wnętrza każdej fabryki ogniw, napięcie na niskim poziomie złego akumulatora, ale rzadko eksplozję, uzyskać poparcie statystyczne.Dlatego eksplozja spowodowana wewnętrznym zwarciem jest spowodowana głównie przeładowaniem.Ponieważ na przeładowanym arkuszu tylnej elektrody znajdują się wszędzie podobne do igieł kryształki litu, wszędzie są punkty przebicia i mikrozwarcia.Dlatego temperatura ogniwa będzie stopniowo rosnąć, aż w końcu wysoka temperatura spowoduje elektrolitowy gaz.Ta sytuacja, niezależnie od tego, czy temperatura jest zbyt wysoka, aby spowodować eksplozję spalania materiału, czy też skorupa została najpierw uszkodzona, tak że powietrze w środku i gwałtowne utlenianie litu metalicznego, oznaczają koniec eksplozji.
Jednak taka eksplozja, spowodowana wewnętrznym zwarciem spowodowanym przeładowaniem, niekoniecznie musi nastąpić w czasie ładowania.Możliwe jest, że konsumenci przestaną ładować i wyjmą telefony, zanim bateria będzie wystarczająco gorąca, aby spalić materiały i wytworzyć wystarczającą ilość gazu, aby rozerwać obudowę baterii.Ciepło powstające w wyniku licznych zwarć powoli nagrzewa akumulator i po pewnym czasie eksploduje.Konsumenci powszechnie opisują, że wzięli telefon i stwierdzili, że jest bardzo gorący, a następnie wyrzucili go i eksplodował.Bazując na powyższych rodzajach eksplozji, możemy skupić się na zapobieganiu przeładowaniom, zapobieganiu zewnętrznym zwarciom i poprawie bezpieczeństwa ogniwa.Wśród nich ochrona przed przeładowaniem i zewnętrznym zwarciem należy do zabezpieczeń elektronicznych, które są w dużym stopniu powiązane z konstrukcją systemu akumulatorów i zestawu akumulatorów.Kluczowym punktem poprawy bezpieczeństwa ogniw jest ochrona chemiczna i mechaniczna, która ma doskonałe relacje z producentami ogniw.
Bezpieczne ukryte kłopoty
Bezpieczeństwo akumulatora litowo-jonowego nie jest związane tylko z rodzajem samego materiału, z którego wykonane jest ogniwo, ale także z technologią przygotowania i użytkowaniem akumulatora.Baterie telefonów komórkowych często eksplodują, z jednej strony z powodu awarii obwodu zabezpieczającego, ale co ważniejsze, aspekt materialny nie rozwiązał zasadniczo problemu.
Aktywny materiał katody litowo-kobaltowej jest bardzo dojrzałym systemem w małych akumulatorach, ale po pełnym naładowaniu na anodzie nadal znajduje się dużo jonów litu, a w przypadku przeładowania oczekuje się, że pozostałe w anodzie jony litu zgromadzą się na anodzie , tworzy się na dendrycie katody. W wyniku przeładowania akumulatora litowo-kobaltowego, nawet w normalnym procesie ładowania i rozładowywania, może również występować nadmiar jonów litu wolnych od elektrody ujemnej, tworząc dendryty.Teoretyczna energia właściwa materiału kobalanu litu wynosi ponad 270 mah/g, ale rzeczywista pojemność to tylko połowa teoretycznej pojemności zapewniającej jego wydajność cykliczną.W trakcie użytkowania, z jakiegoś powodu (takiego jak uszkodzenie systemu zarządzania) i napięcie ładowania akumulatora jest zbyt wysokie, pozostała część litu w elektrodzie dodatniej zostanie usunięta, poprzez elektrolit do powierzchni elektrody ujemnej w w postaci osadzania się litu metalicznego w celu utworzenia dendrytów.Dendryty przebijają membranę, powodując wewnętrzne zwarcie.
Głównym składnikiem elektrolitu jest węglan, który ma niską temperaturę zapłonu i niską temperaturę wrzenia.W pewnych warunkach spali się lub nawet eksploduje.Jeśli akumulator się przegrzeje, doprowadzi to do utlenienia i redukcji węglanów w elektrolicie, co spowoduje wydzielanie się dużej ilości gazu i więcej ciepła.Jeżeli nie ma zaworu bezpieczeństwa lub gaz nie zostanie uwolniony przez zawór bezpieczeństwa, ciśnienie wewnętrzne akumulatora gwałtownie wzrośnie i spowoduje eksplozję.
Bateria litowo-jonowa z elektrolitem polimerowym nie rozwiązuje zasadniczo problemu bezpieczeństwa, stosuje się również kwas litowo-kobaltowy i elektrolit organiczny, a elektrolit jest koloidalny, niełatwo wyciekać, nastąpi bardziej gwałtowne spalanie, spalanie jest największym problemem bezpieczeństwa baterii polimerowych.
Istnieją również pewne problemy z użytkowaniem baterii.Zewnętrzne lub wewnętrzne zwarcie może wytworzyć kilkaset amperów nadmiernego prądu.Kiedy nastąpi zewnętrzne zwarcie, akumulator natychmiast rozładowuje duży prąd, zużywając dużą ilość energii i generując ogromne ciepło na rezystancji wewnętrznej.Wewnętrzne zwarcie wytwarza duży prąd, a temperatura wzrasta, powodując stopienie membrany i rozszerzenie obszaru zwarcia, tworząc w ten sposób błędne koło.
Bateria litowo-jonowa, aby uzyskać wysokie napięcie robocze 3 ~ 4,2 V w pojedynczym ogniwie, musi ulec rozkładowi napięcia większego niż 2 V w przypadku elektrolitu organicznego, a zastosowanie elektrolitu organicznego w warunkach wysokiego prądu i wysokiej temperatury zostanie poddane elektrolizie, elektrolitycznej gaz, powodując wzrost ciśnienia wewnętrznego, poważnie przebije się przez skorupę.
Przeładowanie może spowodować wytrącenie się litu metalicznego, w przypadku pęknięcia powłoki, bezpośredniego kontaktu z powietrzem, co powoduje zapalenie, jednocześnie zapłon elektrolitu, silny płomień, gwałtowne rozprężenie gazu, eksplozję.
Ponadto w przypadku baterii litowo-jonowej telefonu komórkowego, z powodu niewłaściwego użytkowania, takiego jak wytłaczanie, uderzenia i pobór wody, prowadzi to do rozszerzania się baterii, deformacji i pękania itp., co prowadzi do zwarcia baterii w procesie rozładowywania lub ładowania przez eksplozję ciepła.
Bezpieczeństwo baterii litowych:
Aby uniknąć nadmiernego rozładowania lub przeładowania spowodowanego niewłaściwym użytkowaniem, w pojedynczym akumulatorze litowo-jonowym zastosowano potrójny mechanizm zabezpieczający.Jednym z nich jest zastosowanie elementów przełączających, gdy temperatura akumulatora wzrośnie, jego rezystancja wzrośnie, gdy temperatura będzie zbyt wysoka, automatycznie zatrzyma zasilanie;Drugim jest wybór odpowiedniego materiału przegrody, gdy temperatura wzrośnie do określonej wartości, mikronowe pory na przegrodzie automatycznie się rozpuszczą, tak że jony litu nie będą mogły przedostać się, a wewnętrzna reakcja akumulatora ustaje;Trzecim jest ustawienie zaworu bezpieczeństwa (czyli otworu odpowietrzającego na górze akumulatora).Gdy wewnętrzne ciśnienie akumulatora wzrośnie do określonej wartości, zawór bezpieczeństwa otworzy się automatycznie, aby zapewnić bezpieczeństwo akumulatora.
Czasami, chociaż sam akumulator posiada środki kontroli bezpieczeństwa, ale z jakichś powodów spowodowanych awarią sterowania, brakiem zaworu bezpieczeństwa lub gazem nie ma czasu na uwolnienie się przez zawór bezpieczeństwa, wewnętrzne ciśnienie akumulatora gwałtownie wzrasta i powoduje eksplozja.Ogólnie rzecz biorąc, całkowita energia zgromadzona w akumulatorach litowo-jonowych jest odwrotnie proporcjonalna do ich bezpieczeństwa.Wraz ze wzrostem pojemności akumulatora wzrasta również jego objętość, a jego wydajność rozpraszania ciepła ulega pogorszeniu, a ryzyko wypadków znacznie wzrasta.W przypadku akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w telefonach komórkowych podstawowym wymogiem jest to, aby prawdopodobieństwo wystąpienia wypadków związanych z bezpieczeństwem było mniejsze niż jeden na milion, co jest jednocześnie minimalnym standardem akceptowalnym przez społeczeństwo.W przypadku akumulatorów litowo-jonowych o dużej pojemności, zwłaszcza do samochodów, bardzo ważne jest zastosowanie wymuszonego odprowadzania ciepła.
Wybór bezpieczniejszych materiałów elektrodowych, materiału na bazie tlenku litowo-manganowego, pod względem struktury molekularnej, aby zapewnić, że w stanie pełnego naładowania jony litu w elektrodzie dodatniej zostaną całkowicie osadzone w ujemnej dziurze węgla, zasadniczo unikając wytwarzania dendrytów.Jednocześnie stabilna struktura kwasu litowo-manganowego, tak że jego wydajność utleniania jest znacznie niższa niż kwasu litowo-kobaltowego, temperatura rozkładu kwasu litowo-kobaltowego przekracza 100 ℃, nawet z powodu zewnętrznego zewnętrznego zwarcia (igłowania), zewnętrznego zwarcie, przeładowanie, może również całkowicie uniknąć niebezpieczeństwa spalania i eksplozji spowodowanej wytrąconym litem metalicznym.
Ponadto zastosowanie manganianu litu może również znacznie obniżyć koszty.
Aby poprawić wydajność istniejącej technologii kontroli bezpieczeństwa, musimy najpierw poprawić bezpieczeństwo rdzenia akumulatora litowo-jonowego, co jest szczególnie ważne w przypadku akumulatorów o dużej pojemności.Wybierz membranę o dobrych parametrach zamykania termicznego.Rolą membrany jest izolowanie dodatniego i ujemnego bieguna akumulatora, umożliwiając jednocześnie przepływ jonów litu.Gdy temperatura wzrasta, membrana zostaje zamknięta, zanim się stopi, podnosząc rezystancję wewnętrzną do 2000 omów i zatrzymując reakcję wewnętrzną.Gdy wewnętrzne ciśnienie lub temperatura osiągnie zadaną normę, zawór przeciwwybuchowy otworzy się i zacznie uwalniać ciśnienie, aby zapobiec nadmiernemu gromadzeniu się wewnętrznego gazu, deformacji i ostatecznie doprowadzić do rozerwania skorupy.Popraw czułość sterowania, wybierz bardziej czułe parametry sterowania i zastosuj łączną kontrolę wielu parametrów (co jest szczególnie ważne w przypadku akumulatorów o dużej pojemności).W przypadku akumulatorów litowo-jonowych o dużej pojemności jest to szeregowy/równoległy układ wielu ogniw, na przykład napięcie w komputerze przenośnym przekracza 10 V, duża pojemność, zazwyczaj użycie 3 do 4 pojedynczych serii akumulatorów może spełnić wymagania dotyczące napięcia, a następnie 2 do 3 serii akumulatorów akumulatory należy łączyć równolegle, aby zapewnić dużą pojemność.
Sam pakiet akumulatorów o dużej pojemności musi być wyposażony w stosunkowo doskonałą funkcję zabezpieczającą, należy także rozważyć dwa rodzaje modułów płytek drukowanych: moduł ProtecTIonBoardPCB i moduł SmartBatteryGaugeBoard.Cały projekt ochrony akumulatora obejmuje: układ scalony zabezpieczający poziom 1 (zapobiegający przeładowaniu akumulatora, nadmiernemu rozładowaniu, zwarciu), układ scalony zabezpieczający poziomu 2 (zapobiegający drugiemu przepięciu), bezpiecznik, wskaźnik LED, regulację temperatury i inne komponenty.W ramach wielopoziomowego mechanizmu zabezpieczającego, nawet w przypadku nieprawidłowego działania ładowarki i laptopa, akumulator laptopa można przełączyć jedynie w stan automatycznej ochrony.Jeśli sytuacja nie jest poważna, często po podłączeniu i wyjęciu bez eksplozji działa normalnie.
Technologia stosowana w bateriach litowo-jonowych stosowanych w laptopach i telefonach komórkowych jest niebezpieczna i należy rozważyć bezpieczniejsze konstrukcje.
Podsumowując, wraz z postępem technologii materiałowej i pogłębianiem się zrozumienia przez ludzi wymagań dotyczących projektowania, produkcji, testowania i użytkowania akumulatorów litowo-jonowych, przyszłość akumulatorów litowo-jonowych stanie się bezpieczniejsza.
Czas publikacji: 7 marca 2022 r