Litijske baterije najbrže su rastući baterijski sustav u posljednjih 20 godina i naširoko se koriste u elektroničkim proizvodima.Nedavna eksplozija mobilnih telefona i prijenosnih računala u biti je eksplozija baterija.Kako izgledaju baterije mobitela i laptopa, kako rade, zašto eksplodiraju i kako ih izbjeći.
Nuspojave se počinju javljati kada se litijeva ćelija prepuni do napona većeg od 4,2 V.Što je viši tlak punjenja, to je veći rizik.Pri naponima višim od 4,2 V, kada je manje od polovice atoma litija ostalo u materijalu katode, ćelija za pohranu često se urušava, uzrokujući trajno smanjenje kapaciteta baterije.Ako se punjenje nastavi, naknadni metali litija nakupit će se na površini materijala katode, budući da je ćelija za pohranu katode već puna atoma litija.Ovi atomi litija rastu dendritične kristale s površine katode u smjeru litijevih iona.Kristali litija će proći kroz papir dijafragme, kratko spajajući anodu i katodu.Ponekad baterija eksplodira prije nego što dođe do kratkog spoja.To je zato što tijekom procesa prekomjernog punjenja materijali poput elektrolita pucaju i proizvode plin koji uzrokuje bubrenje i pucanje kućišta baterije ili tlačnog ventila, dopuštajući kisiku da reagira s atomima litija nakupljenima na površini negativne elektrode i eksplodira.
Stoga je prilikom punjenja litijske baterije potrebno postaviti gornju granicu napona, kako bi se uzeli u obzir trajanje baterije, kapacitet i sigurnost.Idealna gornja granica napona punjenja je 4,2 V.Također bi trebala postojati niža granica napona kada se litijeve ćelije prazne.Kada napon ćelije padne ispod 2,4 V, dio materijala počinje se raspadati.A budući da će se baterija samoprazniti, stavite što duže napon će biti niži, stoga je najbolje ne isprazniti 2,4 V da biste prestali.Od 3,0 V do 2,4 V, litijeve baterije oslobađaju samo oko 3% svog kapaciteta.Stoga je 3,0 V idealan granični napon pražnjenja.Kod punjenja i pražnjenja, osim ograničenja napona, potrebno je i ograničenje struje.Kada je struja previsoka, litijevi ioni nemaju vremena ući u ćeliju za pohranu, akumulirati će se na površini materijala.
Dok ti ioni dobivaju elektrone, kristaliziraju atome litija na površini materijala, što može biti jednako opasno kao i prekomjerno punjenje.Ako kućište baterije pukne, eksplodirat će.Stoga bi zaštita litij-ionske baterije trebala uključivati barem gornju granicu napona punjenja, donju granicu napona pražnjenja i gornju granicu struje.Općenito, uz jezgru litijske baterije, postojat će i zaštitna ploča, koja će uglavnom pružiti ove tri zaštite.Međutim, zaštitna ploča ove tri zaštite očito nije dovoljna, globalna litijska baterija ili česta eksplozija.Kako bi se osigurala sigurnost baterijskih sustava, potrebna je pažljivija analiza uzroka eksplozije baterija.
Uzrok eksplozije:
1. Velika unutarnja polarizacija;
2. Polni dio upija vodu i reagira s plinskim elektrolitom;
3. Kvaliteta i učinak samog elektrolita;
4. Količina ubrizgane tekućine ne može zadovoljiti zahtjeve procesa;
5. Učinak brtve laserskog zavarivanja je loš u procesu pripreme i otkriveno je curenje zraka.
6. Prašina i prašina od stupa lako je prvo uzrokovati mikrokratki spoj;
7.Pozitivna i negativna ploča deblja od procesnog raspona, teška za ljuštenje;
8. Problem brtvljenja ubrizgavanja tekućine, loša izvedba brtvljenja čelične kuglice dovodi do plinskog bubnja;
9.Dolazni materijal ljuske stijenka ljuske je predebela, deformacija ljuske utječe na debljinu;
10. Visoka vanjska temperatura okoline također je glavni uzrok eksplozije.
Vrsta eksplozije
Analiza tipa eksplozije Vrste eksplozije jezgre baterije mogu se klasificirati kao vanjski kratki spoj, unutarnji kratki spoj i prekomjerno punjenje.Vanjski se ovdje odnosi na vanjski dio ćelije, uključujući kratki spoj uzrokovan lošom izolacijom unutarnje baterije.Kada dođe do kratkog spoja izvan ćelije, a elektroničke komponente ne uspiju prekinuti petlju, ćelija će generirati veliku toplinu unutra, uzrokujući isparavanje dijela elektrolita, omotača baterije.Kada je unutarnja temperatura baterije visoka do 135 stupnjeva Celzijusa, dijafragmski papir dobre kvalitete zatvorit će finu rupu, elektrokemijska reakcija je prekinuta ili gotovo prekinuta, struja pada, a temperatura također polako pada, čime se izbjegava eksplozija. .Ali dijafragmni papir sa slabom brzinom zatvaranja ili onaj koji se uopće ne zatvara, održavat će bateriju toplom, ispariti više elektrolita i na kraju puknuti kućište baterije ili čak povisiti temperaturu baterije do točke u kojoj materijal gori. i eksplodira.Unutarnji kratki spoj uglavnom je uzrokovan oštrinom bakrene i aluminijske folije koja probija dijafragmu ili dendritičnih kristala atoma litija koji probijaju dijafragmu.
Ovi sićušni, igličasti metali mogu uzrokovati mikrokratke spojeve.Budući da je igla vrlo tanka i ima određenu vrijednost otpora, struja nije nužno velika.Neravnine bakrene aluminijske folije nastaju u procesu proizvodnje.Uočeni fenomen je da baterija prebrzo curi, a većina njih može biti filtrirana u tvornicama ćelija ili pogonima za montažu.A budući da su neravnine male, ponekad izgore, vraćajući bateriju u normalu.Stoga vjerojatnost eksplozije uzrokovane mikro kratkim spojem čira nije velika.Takav pogled, često se može puniti iz unutrašnjosti svake tvornice ćelija, napon na niskoj lošoj bateriji, ali rijetko eksplozija, dobiti statističku podršku.Stoga je eksplozija uzrokovana unutarnjim kratkim spojem uglavnom uzrokovana prekomjernim punjenjem.Budući da postoje igličasti metalni kristali litija posvuda na prenapunjenom stražnjem elektrodnom listu, točke probijanja su posvuda i posvuda se javlja mikrokratki spoj.Stoga će temperatura ćelije postupno rasti, a naposljetku će visoka temperatura izazvati elektrolit.Ova situacija, bilo da je temperatura previsoka da bi došlo do eksplozije izgaranja materijala, ili je ljuska prvi put slomljena, tako da zrak i litij metal žestoko oksidiraju, kraj su eksplozije.
Ali takva eksplozija, uzrokovana unutarnjim kratkim spojem izazvanim prekomjernim punjenjem, ne mora se nužno dogoditi u trenutku punjenja.Moguće je da će potrošači prestati puniti i izvaditi svoje telefone prije nego što se baterija dovoljno zagrije da izgori materijale i proizvede dovoljno plina da pukne kućište baterije.Toplina koju stvaraju brojni kratki spojevi polako zagrijava bateriju i nakon nekog vremena eksplodira.Uobičajeni opis potrošača je da su podigli telefon i ustanovili da je jako vruć, a zatim su ga bacili i eksplodirao.Na temelju gore navedenih vrsta eksplozije, možemo se usredotočiti na sprječavanje prekomjernog punjenja, sprječavanje vanjskog kratkog spoja i poboljšati sigurnost ćelije.Među njima, sprječavanje prekomjernog punjenja i vanjskog kratkog spoja pripada elektroničkoj zaštiti, koja je uvelike povezana s dizajnom baterijskog sustava i paketa baterija.Ključna točka poboljšanja sigurnosti ćelija je kemijska i mehanička zaštita, koja ima odličan odnos s proizvođačima ćelija.
Sigurna skrivena nevolja
Sigurnost litij-ionske baterije nije povezana samo s prirodom samog materijala ćelije, već i s tehnologijom pripreme i uporabom baterije.Baterije mobitela često eksplodiraju, s jedne strane, zbog kvara zaštitnog kruga, ali što je još važnije, materijalni aspekt nije suštinski riješio problem.
Aktivni materijal litijeve katode s kobaltnom kiselinom vrlo je zreo sustav u malim baterijama, ali nakon potpunog punjenja još uvijek ima mnogo litijevih iona na anodi, a kada se prekomjerno napuni, očekuje se da će se preostali litijevi ioni okupiti na anodi , koji se formira na katodnom dendritu koristi kobaltnu kiselinu litijske baterije kao posljedica prekomjernog punjenja, čak iu normalnom procesu punjenja i pražnjenja, također može postojati višak litijevih iona slobodnih do negativne elektrode kako bi se formirali dendrit.Teoretska specifična energija materijala litij kobalat je veća od 270 mah/g, ali stvarni kapacitet je samo polovica teorijskog kapaciteta kako bi se osigurala njegova ciklična izvedba.U procesu korištenja, zbog nekog razloga (kao što je oštećenje sustava upravljanja) i napon punjenja baterije je previsok, preostali dio litija u pozitivnoj elektrodi će se ukloniti, kroz elektrolit do površine negativne elektrode u oblik taloženja metala litija u obliku dendrita.Dendriti Probijaju dijafragmu, stvarajući unutarnji kratki spoj.
Glavna komponenta elektrolita je karbonat, koji ima nisko plamište i nisko vrelište.Pod određenim će uvjetima izgorjeti ili čak eksplodirati.Ako se baterija pregrije, to će dovesti do oksidacije i redukcije karbonata u elektrolitu, što će rezultirati s puno plina i više topline.Ako nema sigurnosnog ventila ili se plin ne ispušta kroz sigurnosni ventil, unutarnji tlak baterije će naglo porasti i izazvati eksploziju.
Litij-ionska baterija s polimernim elektrolitom u osnovi ne rješava sigurnosni problem, također se koriste litij-kobaltna kiselina i organski elektrolit, a elektrolit je koloidan, nije lako iscuriti, doći će do jačeg izgaranja, izgaranje je najveći problem sigurnosti polimerne baterije.
Također postoje problemi s korištenjem baterije.Vanjski ili unutarnji kratki spoj može proizvesti nekoliko stotina ampera prekomjerne struje.Kada dođe do vanjskog kratkog spoja, baterija trenutno isprazni veliku struju, trošeći veliku količinu energije i stvarajući veliku toplinu na unutarnjem otporu.Unutarnji kratki spoj stvara veliku struju, a temperatura raste, uzrokujući topljenje dijafragme i širenje područja kratkog spoja, stvarajući tako začarani krug.
Litij-ionska baterija kako bi se postigla visoka radna voltaža jedne ćelije od 3 ~ 4,2 V, mora se razgraditi napon veći od 2 V organskog elektrolita, a upotreba organskog elektrolita u uvjetima visoke struje, visoke temperature bit će elektrolizirana, elektrolitska plin, što rezultira povećanim unutarnjim tlakom, ozbiljno će probiti ljusku.
Prekomjerno punjenje može precipitirati metalni litij, u slučaju puknuća školjke, izravnog kontakta sa zrakom, što rezultira izgaranjem, istovremeno paljenjem elektrolita, jakim plamenom, brzim širenjem plina, eksplozijom.
Osim toga, za litij-ionsku bateriju mobilnog telefona, zbog nepravilne uporabe, kao što je ekstruzija, udar i unos vode dovode do širenja baterije, deformacije i pucanja itd., što će dovesti do kratkog spoja baterije, u procesu pražnjenja ili punjenja uzrokovanog toplinskom eksplozijom.
Sigurnost litijevih baterija:
Kako bi se izbjeglo prekomjerno pražnjenje ili prekomjerno punjenje uzrokovano nepravilnom uporabom, trostruki zaštitni mehanizam postavljen je u jednu litij-ionsku bateriju.Jedan je korištenje preklopnih elemenata, kada temperatura baterije poraste, njen otpor će porasti, kada je temperatura previsoka, automatski će zaustaviti napajanje;Drugi je odabir odgovarajućeg materijala za pregradu, kada temperatura poraste do određene vrijednosti, mikronske pore na pregradi automatski će se otopiti, tako da litijevi ioni ne mogu proći, unutarnja reakcija baterije prestaje;Treći je postavljanje sigurnosnog ventila (odnosno otvora za ventilaciju na vrhu baterije).Kada unutarnji tlak baterije poraste do određene vrijednosti, sigurnosni ventil će se automatski otvoriti kako bi se osigurala sigurnost baterije.
Ponekad, iako sama baterija ima mjere sigurnosne kontrole, ali zbog nekih razloga uzrokovanih neuspjehom kontrole, nedostatkom sigurnosnog ventila ili plin nema vremena za ispuštanje kroz sigurnosni ventil, unutarnji tlak baterije će naglo porasti i uzrokovati eksplozija.Općenito, ukupna energija pohranjena u litij-ionskim baterijama obrnuto je proporcionalna njihovoj sigurnosti.Kako se kapacitet baterije povećava, volumen baterije se također povećava, a njezina disipacija topline se pogoršava, a mogućnost nesreća će se znatno povećati.Za litij-ionske baterije koje se koriste u mobilnim telefonima, osnovni zahtjev je da vjerojatnost sigurnosnih nezgoda bude manja od jedan prema milijun, što je ujedno i minimalni standard prihvatljiv javnosti.Za litij-ionske baterije velikog kapaciteta, posebno za automobile, vrlo je važno usvojiti prisilnu disipaciju topline.
Odabirom sigurnijih materijala za elektrode, materijala litij mangan oksida, u smislu molekularne strukture kako bi se osiguralo da su u stanju pune napunjenosti litijevi ioni u pozitivnoj elektrodi potpuno ugrađeni u negativnu ugljičnu rupu, u osnovi izbjegava stvaranje dendrita.U isto vrijeme, stabilna struktura litij-manganove kiseline, tako da je njezina oksidacijska izvedba daleko niža od litij-kobaltne kiseline, temperatura raspadanja litij-kobaltne kiseline veća je od 100 ℃, čak i zbog vanjskog vanjskog kratkog spoja (iglom), vanjskog kratki spoj, prekomjerno punjenje, također može u potpunosti izbjeći opasnost od izgaranja i eksplozije uzrokovane istaloženim metalnim litijem.
Osim toga, korištenje materijala litijevog manganata također može uvelike smanjiti troškove.
Kako bismo poboljšali izvedbu postojeće tehnologije sigurnosne kontrole, prvo moramo poboljšati sigurnosnu izvedbu jezgre litij-ionske baterije, što je osobito važno za baterije velikog kapaciteta.Odaberite dijafragmu s dobrim toplinskim učinkom zatvaranja.Uloga dijafragme je izolirati pozitivne i negativne polove baterije dok omogućuje prolaz litijevim ionima.Kad temperatura poraste, membrana se zatvori prije nego što se otopi, podižući unutarnji otpor na 2000 ohma i prekidajući unutarnju reakciju.Kada unutarnji tlak ili temperatura dosegne unaprijed postavljeni standard, ventil otporan na eksploziju će se otvoriti i početi otpuštati tlak kako bi se spriječilo prekomjerno nakupljanje unutarnjeg plina, deformacija i na kraju dovelo do pucanja granate.Poboljšajte osjetljivost upravljanja, odaberite osjetljivije parametre upravljanja i usvojite kombiniranu kontrolu više parametara (što je osobito važno za baterije velikog kapaciteta).Za litij-ionsku bateriju velikog kapaciteta serijski/paralelni višestruki sastav ćelija, kao što je napon prijenosnog računala veći od 10 V, veliki kapacitet, općenito korištenje 3 do 4 serije pojedinačnih baterija može zadovoljiti zahtjeve napona, a zatim 2 do 3 serije baterija baterijski paket paralelno, kako bi se osigurao veliki kapacitet.
Sama baterija velikog kapaciteta mora biti opremljena relativno savršenom zaštitnom funkcijom, a također treba uzeti u obzir dvije vrste modula tiskanih ploča: modul ProtectIonBoardPCB i modul SmartBatteryGaugeBoard.Cijeli dizajn zaštite baterije uključuje: IC zaštite 1. razine (spriječava prekomjerno punjenje baterije, prekomjerno pražnjenje, kratki spoj), IC zaštite 2. razine (spriječava drugi prenapon), osigurač, LED indikator, regulaciju temperature i druge komponente.Pod zaštitnim mehanizmom na više razina, čak iu slučaju neuobičajene snage punjača i prijenosnog računala, baterija prijenosnog računala može se prebaciti samo u stanje automatske zaštite.Ako situacija nije ozbiljna, često radi normalno nakon uključivanja i uklanjanja bez eksplozije.
Temeljna tehnologija koja se koristi u litij-ionskim baterijama koje se koriste u prijenosnim računalima i mobilnim telefonima nije sigurna i potrebno je razmotriti sigurnije strukture.
Zaključno, s napretkom tehnologije materijala i produbljivanjem razumijevanja ljudi o zahtjevima za dizajn, proizvodnju, ispitivanje i korištenje litij-ionskih baterija, budućnost litij-ionskih baterija postat će sigurnija.
Vrijeme objave: 7. ožujka 2022