Lítiové batérie sú najrýchlejšie rastúcim systémom batérií za posledných 20 rokov a sú široko používané v elektronických produktoch.Nedávny výbuch mobilných telefónov a notebookov je v podstate výbuchom batérií.Ako vyzerajú batérie mobilných telefónov a notebookov, ako fungujú, prečo explodujú a ako sa im vyhnúť.
Vedľajšie účinky sa začínajú objavovať pri prebití lítiového článku na napätie vyššie ako 4,2V.Čím vyšší je preplňovací tlak, tým vyššie je riziko.Pri napätiach vyšších ako 4,2 V, keď v materiáli katódy zostane menej ako polovica atómov lítia, sa skladovací článok často zrúti, čo spôsobí trvalý pokles kapacity batérie.Ak bude nabíjanie pokračovať, na povrchu katódového materiálu sa budú hromadiť nasledujúce lítiové kovy, pretože zásobník katódy je už plný atómov lítia.Tieto atómy lítia rastú dendritické kryštály z povrchu katódy v smere lítiových iónov.Lítiové kryštály prejdú cez membránový papier a skrátia anódu a katódu.Niekedy batéria exploduje skôr, ako dôjde ku skratu.Je to preto, že počas procesu prebíjania materiály, ako sú elektrolyty, praskajú a vytvárajú plyn, ktorý spôsobí, že puzdro batérie alebo tlakový ventil napučia a prasknú, čo umožní kyslíku reagovať s atómami lítia nahromadenými na povrchu zápornej elektródy a explodovať.
Preto pri nabíjaní lítiovej batérie je potrebné nastaviť hornú hranicu napätia, aby sa zohľadnila životnosť batérie, kapacita a bezpečnosť.Ideálna horná hranica nabíjacieho napätia je 4,2V.Pri vybíjaní lítiových článkov by mala existovať aj nižšia hranica napätia.Keď napätie článku klesne pod 2,4 V, časť materiálu sa začne rozpadať.A pretože sa batéria bude samovybíjať, tým dlhšie bude napätie nižšie, preto je najlepšie nevybíjať 2,4V, aby ste prestali.Od 3,0 V do 2,4 V uvoľňujú lítiové batérie len asi 3 % svojej kapacity.Preto je 3,0 V ideálne vypínacie napätie.Pri nabíjaní a vybíjaní je okrem limitu napätia nevyhnutný aj limit prúdu.Keď je prúd príliš vysoký, lítiové ióny nemajú čas vstúpiť do skladovacej bunky a hromadia sa na povrchu materiálu.
Keď tieto ióny získavajú elektróny, kryštalizujú atómy lítia na povrchu materiálu, čo môže byť rovnako nebezpečné ako prebíjanie.Ak sa puzdro batérie rozbije, exploduje.Preto by ochrana lítium-iónovej batérie mala zahŕňať aspoň hornú hranicu nabíjacieho napätia, spodnú hranicu vybíjacieho napätia a hornú hranicu prúdu.Vo všeobecnosti bude okrem jadra lítiovej batérie existovať ochranná doska, ktorá má zabezpečiť najmä tieto tri ochrany.Avšak, ochranná doska z týchto troch ochrany zjavne nestačí, globálne udalosti výbuchu lítiovej batérie alebo časté.Na zaistenie bezpečnosti batériových systémov je potrebná starostlivejšia analýza príčiny výbuchu batérií.
Príčina výbuchu:
1. Veľká vnútorná polarizácia;
2. Pólový nástavec absorbuje vodu a reaguje s plynovým sudom s elektrolytom;
3. Kvalita a výkon samotného elektrolytu;
4. Množstvo vstrekovanej kvapaliny nemôže spĺňať požiadavky procesu;
5. Výkon tesnenia laserového zvárania je v procese prípravy slabý a je zistený únik vzduchu.
6. Prach a prach z pólových nástavcov môžu najskôr spôsobiť mikroskrat;
7. Pozitívna a negatívna platňa hrubšia ako procesný rozsah, ťažko sa škrupuje;
8. Problém tesnenia vstrekovania kvapaliny, slabý tesniaci výkon oceľovej guľôčky vedie k plynovému bubnu;
9. Stena škrupiny prichádzajúceho materiálu je príliš hrubá, deformácia škrupiny ovplyvňuje hrúbku;
10. Vysoká okolitá teplota vonku je tiež hlavnou príčinou výbuchu.
Typ výbuchu
Analýza typu výbuchu Typy výbuchu jadra batérie možno klasifikovať ako vonkajší skrat, vnútorný skrat a prebitie.Externý sa tu vzťahuje na vonkajšok článku vrátane skratu spôsobeného zlou konštrukciou izolácie vnútornej batérie.Keď dôjde ku skratu mimo článku a elektronickým komponentom sa nepodarí prerušiť slučku, článok vo vnútri vytvorí vysoké teplo, čo spôsobí, že časť elektrolytu sa vyparí, plášť batérie.Keď je vnútorná teplota batérie vysoká až 135 stupňov Celzia, membránový papier dobrej kvality uzavrie jemný otvor, elektrochemická reakcia je ukončená alebo takmer ukončená, prúd klesá a teplota tiež pomaly klesá, čím sa zabráni výbuchu .Ale membránový papier so zlou rýchlosťou zatvárania alebo taký, ktorý sa nezatvára vôbec, udrží batériu v teple, vyparí viac elektrolytu a nakoniec praskne puzdro batérie alebo dokonca zvýši teplotu batérie až do bodu, kedy sa materiál spáli. a vybuchne.Vnútorný skrat je spôsobený hlavne otrepom medenej fólie a hliníkovej fólie prepichujúcim membránu alebo dendritickými kryštálmi atómov lítia prepichujúcimi membránu.
Tieto drobné, ihličkovité kovy môžu spôsobiť mikroskraty.Pretože je ihla veľmi tenká a má určitú hodnotu odporu, prúd nemusí byť nevyhnutne veľmi veľký.Otrepy medenej hliníkovej fólie vznikajú vo výrobnom procese.Pozorovaným javom je, že batéria vyteká príliš rýchlo a väčšinu z nich dokážu bunkové továrne alebo montážne závody zatieniť.A keďže sú otrepy malé, niekedy sa vypália, čím sa batéria vráti do normálu.Preto pravdepodobnosť výbuchu spôsobeného mikroskratom otrepov nie je vysoká.Takýto pohľad môže často nabíjať zvnútra každej bunkovej továrne, napätie na slabej zlej batérii, ale len zriedka výbuch, dostane štatistickú podporu.Preto je výbuch spôsobený vnútorným skratom spôsobený hlavne prebitím.Pretože na prebitej zadnej elektródovej doske sú všade ihličkovité lítiové kovové kryštály, miesta prepichnutia sú všade a všade sa vyskytuje mikroskrat.Preto bude teplota článku postupne stúpať a nakoniec vysoká teplota bude elektrolytovať plyn.Táto situácia, či už je teplota príliš vysoká na to, aby došlo k explózii spaľovania materiálu, alebo bola škrupina najskôr rozbitá, takže vzduch a prudká oxidácia kovu lítia, sú koncom explózie.
Ale takáto explózia, spôsobená vnútorným skratom spôsobeným prebíjaním, nemusí nevyhnutne nastať v čase nabíjania.Je možné, že spotrebitelia prestanú nabíjať a vyberú svoje telefóny skôr, ako bude batéria dostatočne horúca na to, aby spálila materiály a vytvorila dostatok plynu na prasknutie krytu batérie.Teplo generované početnými skratmi pomaly zahrieva batériu a po určitom čase exploduje.Bežný popis spotrebiteľov je, že zdvihli telefón a zistili, že je veľmi horúci, potom ho odhodili a vybuchli.Na základe vyššie uvedených typov výbuchov sa môžeme zamerať na prevenciu prebitia, zabránenie vonkajšiemu skratu a zlepšenie bezpečnosti článku.Medzi nimi prevencia prebitia a vonkajšieho skratu patrí k elektronickej ochrane, ktorá vo veľkej miere súvisí s dizajnom batériového systému a batériového bloku.Kľúčovým bodom zlepšenia bezpečnosti článkov je chemická a mechanická ochrana, ktorá má výborné vzťahy s výrobcami článkov.
Bezpečný skrytý problém
Bezpečnosť lítium-iónovej batérie nesúvisí len s povahou samotného materiálu článku, ale súvisí aj s technológiou prípravy a použitím batérie.Batérie mobilných telefónov na jednej strane často explodujú v dôsledku zlyhania ochranného obvodu, ale čo je dôležitejšie, materiálové hľadisko problém zásadne nevyriešilo.
Aktívny materiál lítiovej katódy s kyselinou kobaltovou je veľmi vyspelý systém v malých batériách, ale po úplnom nabití je na anóde stále veľa lítiových iónov, keď sa očakáva, že pri prebití zostávajúce lítiové ióny v anóde sa nahrnú na anódu , sa vytvára na katódovom dendrite s použitím kobaltovej kyseliny a následkom prebitia lítiovej batérie, dokonca aj pri bežnom procese nabíjania a vybíjania, môže byť tiež prebytok lítiových iónov voľných na zápornej elektróde za vzniku dendritov.Teoretická špecifická energia materiálu kobalátu lítneho je viac ako 270 mah/g, ale skutočná kapacita je len polovica teoretickej kapacity na zabezpečenie jeho cyklického výkonu.V procese používania sa z nejakého dôvodu (napríklad poškodenie riadiaceho systému) a príliš vysoké nabíjacie napätie batérie odstráni zvyšná časť lítia v kladnej elektróde cez elektrolyt na povrch zápornej elektródy. forma ukladania lítneho kovu za vzniku dendritov.Dendrity Prepichnú membránu, čím sa vytvorí vnútorný skrat.
Hlavnou zložkou elektrolytu je uhličitan, ktorý má nízky bod vzplanutia a nízky bod varu.Za určitých podmienok bude horieť alebo dokonca explodovať.Ak sa batéria prehreje, povedie to k oxidácii a redukcii uhličitanu v elektrolyte, čo má za následok veľa plynu a viac tepla.Ak nie je poistný ventil alebo sa plyn neuvoľňuje cez poistný ventil, vnútorný tlak batérie prudko stúpne a spôsobí výbuch.
Lítium-iónová batéria s polymérnym elektrolytom zásadne nerieši problém s bezpečnosťou, používa sa aj kyselina lítium-kobaltová a organický elektrolyt a elektrolyt je koloidný, nie je ľahké unikať, dôjde k prudšiemu spaľovaniu, spaľovanie je najväčším problémom bezpečnosti polymérovej batérie.
Problémy sú aj pri používaní batérie.Vonkajší alebo vnútorný skrat môže produkovať niekoľko stoviek ampérov nadmerného prúdu.Keď dôjde k externému skratu, batéria okamžite vybije veľký prúd, spotrebuje veľké množstvo energie a generuje obrovské teplo na vnútornom odpore.Vnútorný skrat vytvára veľký prúd a teplota stúpa, čo spôsobí roztavenie membrány a rozšírenie oblasti skratu, čím sa vytvorí začarovaný kruh.
Lítium-iónová batéria, aby sa dosiahlo jednočlánkové 3 ~ 4,2 V vysoké pracovné napätie, musí mať rozklad napätia väčšie ako 2 V organického elektrolytu a použitie organického elektrolytu pri vysokom prúde, pri vysokej teplote bude elektrolyzované, elektrolytické plyn, čo má za následok zvýšený vnútorný tlak, vážne prerazí škrupinu.
Prebitie môže vyzrážať kovové lítium, v prípade prasknutia plášťa, priameho kontaktu so vzduchom, čo má za následok horenie, súčasne vznietenie elektrolytu, silný plameň, rýchla expanzia plynu, výbuch.
Okrem toho v prípade lítium-iónovej batérie mobilného telefónu v dôsledku nesprávneho použitia, ako je vytláčanie, náraz a nasávanie vody, dochádza k rozšíreniu batérie, deformácii a praskaniu atď., čo povedie ku skratu batérie v procese vybíjania alebo nabíjania. tepelným výbuchom.
Bezpečnosť lítiových batérií:
Aby sa predišlo nadmernému vybitiu alebo nadmernému nabitiu spôsobenému nesprávnym používaním, je v jednej lítium-iónovej batérii nastavený trojitý ochranný mechanizmus.Jedným z nich je použitie spínacích prvkov, keď teplota batérie stúpne, jej odpor sa zvýši, keď je teplota príliš vysoká, automaticky zastaví napájanie;Druhým je výber vhodného materiálu priečky, keď teplota stúpne na určitú hodnotu, mikrónové póry na priečke sa automaticky rozpustia, takže lítiové ióny nemôžu prejsť, vnútorná reakcia batérie sa zastaví;Tretím je nastavenie poistného ventilu (teda odvzdušňovacieho otvoru v hornej časti batérie).Keď vnútorný tlak batérie stúpne na určitú hodnotu, bezpečnostný ventil sa automaticky otvorí, aby bola zaistená bezpečnosť batérie.
Niekedy, hoci samotná batéria má bezpečnostné kontrolné opatrenia, ale z niektorých dôvodov spôsobených poruchou kontroly, nedostatok poistného ventilu alebo plynu nemá čas uvoľniť sa cez poistný ventil, vnútorný tlak batérie prudko stúpne a spôsobí výbuch.Vo všeobecnosti je celková energia uložená v lítium-iónových batériách nepriamo úmerná ich bezpečnosti.So zväčšujúcou sa kapacitou batérie sa zväčšuje aj jej objem, zhoršuje sa jej výkon pri odvádzaní tepla a výrazne sa zvyšuje možnosť nehôd.V prípade lítium-iónových batérií používaných v mobilných telefónoch je základnou požiadavkou, aby pravdepodobnosť bezpečnostných nehôd bola menšia ako jedna k miliónu, čo je tiež minimálna norma prijateľná pre verejnosť.Pre veľkokapacitné lítium-iónové batérie, najmä pre automobily, je veľmi dôležité prijať nútený odvod tepla.
Výber bezpečnejších elektródových materiálov, materiálu na báze oxidu lítneho a mangánu, pokiaľ ide o molekulárnu štruktúru, aby sa zabezpečilo, že v stave plného nabitia boli lítiové ióny v kladnej elektróde úplne zabudované do zápornej uhlíkovej diery, zásadne zabráni tvorbe dendritov.Zároveň je stabilná štruktúra kyseliny lítium-mangánovej, takže jej oxidačný výkon je oveľa nižší ako kyselina lítium-kobaltová, teplota rozkladu kyseliny lítium-kobaltovej viac ako 100 ℃, a to aj z dôvodu vonkajšieho vonkajšieho skratu (ihlovanie), vonkajšieho skrat, prebitie, môže tiež úplne zabrániť nebezpečenstvu horenia a výbuchu spôsobenému vyzrážaným kovom lítia.
Okrem toho môže použitie materiálu manganistanu lítneho tiež výrazne znížiť náklady.
Aby sme zlepšili výkon existujúcej technológie riadenia bezpečnosti, musíme najprv zlepšiť bezpečnostný výkon jadra lítium-iónovej batérie, čo je obzvlášť dôležité pre veľkokapacitné batérie.Vyberte si membránu s dobrým tepelným zatváraním.Úlohou membrány je izolovať kladné a záporné póly batérie a zároveň umožniť prechod lítiových iónov.Keď teplota stúpne, membrána sa pred roztavením uzavrie, čím sa vnútorný odpor zvýši na 2 000 ohmov a vnútorná reakcia sa vypne.Keď vnútorný tlak alebo teplota dosiahne prednastavený štandard, ventil odolný proti výbuchu sa otvorí a začne uvoľňovať tlak, aby sa zabránilo nadmernému nahromadeniu vnútorného plynu, deformácii a prípadne prasknutiu plášťa.Zlepšite citlivosť ovládania, vyberte citlivejšie regulačné parametre a osvojte si kombinované ovládanie viacerých parametrov (čo je dôležité najmä pri veľkokapacitných batériách).Pre veľkokapacitnú lítium-iónovú batériu je sériová / paralelná viacčlánková kompozícia, ako je napätie notebooku viac ako 10 V, veľká kapacita, zvyčajne s použitím 3 až 4 sérií jednotlivých batérií, ktoré môžu spĺňať požiadavky na napätie, a potom 2 až 3 série súprava batérií paralelne, aby sa zabezpečila veľká kapacita.
Samotná vysokokapacitná batéria musí byť vybavená relatívne dokonalou ochrannou funkciou a treba zvážiť aj dva druhy modulov dosky plošných spojov: modul ProtecTionBoardPCB a modul SmartBatteryGaugeBoard.Celá konštrukcia ochrany batérie obsahuje: ochranný IC úrovne 1 (zabránenie prebitia batérie, nadmerného vybitia, skratu), ochranu IC úrovne 2 (zabránenie druhému prepätiu), poistku, LED indikátor, reguláciu teploty a ďalšie komponenty.V rámci viacúrovňového ochranného mechanizmu, dokonca aj v prípade abnormálnej nabíjačky a prenosného počítača, je možné batériu prenosného počítača prepnúť iba do stavu automatickej ochrany.Ak situácia nie je vážna, často po zapojení a odstránení bez výbuchu funguje normálne.
Základná technológia používaná v lítium-iónových batériách používaných v notebookoch a mobilných telefónoch nie je bezpečná a je potrebné zvážiť bezpečnejšie štruktúry.
Záverom možno konštatovať, že s pokrokom materiálovej technológie a prehlbovaním chápania požiadaviek ľudí na dizajn, výrobu, testovanie a používanie lítium-iónových batérií sa budúcnosť lítium-iónových batérií stane bezpečnejšou.
Čas odoslania: Mar-07-2022