Lithiové baterie jsou nejrychleji rostoucím bateriovým systémem za posledních 20 let a jsou široce používány v elektronických produktech. Nedávná exploze mobilních telefonů a notebooků je v podstatě explozí baterií. Jak baterie mobilních telefonů a notebooků vypadají, jak fungují, proč explodují a jak se jim vyhnout.
Nežádoucí účinky se začnou objevovat při přebití lithiového článku na napětí vyšší než 4,2V. Čím vyšší je přeplňovací tlak, tím vyšší je riziko. Při napětích vyšším než 4,2 V, kdy v katodovém materiálu zbývá méně než polovina atomů lithia, se akumulační článek často zhroutí, což způsobí trvalý pokles kapacity baterie. Pokud bude nabíjení pokračovat, další lithiové kovy se budou hromadit na povrchu katodového materiálu, protože zásobní článek katody je již plný atomů lithia. Tyto atomy lithia rostou dendritické krystaly z povrchu katody ve směru iontů lithia. Krystaly lithia projdou membránovým papírem a zkratují anodu a katodu. Někdy baterie exploduje dříve, než dojde ke zkratu. Je to proto, že během procesu přebíjení praskají materiály, jako jsou elektrolyty, za vzniku plynu, který způsobí bobtnání a prasknutí pouzdra baterie nebo tlakového ventilu, což umožňuje kyslíku reagovat s atomy lithia nahromaděnými na povrchu záporné elektrody a explodovat.
Při nabíjení lithiové baterie je proto nutné nastavit horní hranici napětí, aby se zohlednila životnost baterie, kapacita a bezpečnost. Ideální horní limit nabíjecího napětí je 4,2V. Při vybíjení lithiových článků by měl být také nižší limit napětí. Když napětí článku klesne pod 2,4 V, část materiálu se začne rozpadat. A protože se baterie bude samovolně vybíjet, dejte čím déle bude napětí nižší, proto je nejlepší nevybíjet 2,4V, abyste přestali. Od 3,0 V do 2,4 V uvolňují lithiové baterie jen asi 3 % své kapacity. Proto je 3,0 V ideálním vypínacím napětím. Při nabíjení a vybíjení je kromě napěťového limitu nutný i proudový limit. Když je proud příliš vysoký, ionty lithia nemají čas vstoupit do skladovací buňky a hromadí se na povrchu materiálu.
Jak tyto ionty získávají elektrony, krystalizují atomy lithia na povrchu materiálu, což může být stejně nebezpečné jako přebíjení. Pokud se pouzdro baterie rozbije, exploduje. Proto by ochrana lithium-iontové baterie měla zahrnovat alespoň horní mez nabíjecího napětí, spodní mez vybíjecího napětí a horní mez proudu. Obecně platí, že kromě jádra lithiové baterie bude ochranná deska, která má zajistit především tyto tři ochrany. Nicméně, ochranná deska těchto tří ochrany zjevně nestačí, globální události výbuchu lithiové baterie nebo časté. Aby byla zajištěna bezpečnost bateriových systémů, je zapotřebí pečlivější analýzy příčiny explozí baterií.
Příčina výbuchu:
1. Velká vnitřní polarizace;
2. Pólový nástavec absorbuje vodu a reaguje s plynovým sudem s elektrolytem;
3. Kvalita a výkon samotného elektrolytu;
4. množství kapalné injekce nemůže splňovat požadavky procesu;
5. Výkon těsnění laserového svařování je v procesu přípravy slabý a je detekován únik vzduchu.
6. Prach a prach z pólových nástavců mohou nejprve snadno způsobit mikrozkrat;
7.Pozitivní a negativní deska tlustší než procesní rozsah, obtížně se loupe;
8. Problém těsnění vstřikování kapaliny, špatný těsnící výkon ocelové kuličky vede k plynovému bubnu;
9. Stěna skořepiny příchozího materiálu je příliš silná, deformace skořepiny ovlivňuje tloušťku;
10. Vysoká okolní teplota venku je také hlavní příčinou výbuchu.
Typ výbuchu
Analýza typu výbuchu Typy výbuchu jádra baterie lze klasifikovat jako externí zkrat, vnitřní zkrat a přebití. Externí zde označuje vnější část článku, včetně zkratu způsobeného špatnou konstrukcí izolace vnitřní sady baterií. Když dojde ke zkratu vně článku a elektronickým součástkám se nepodaří přerušit smyčku, článek bude uvnitř generovat vysoké teplo, což způsobí odpaření části elektrolytu, obalu baterie. Když je vnitřní teplota baterie vysoká až 135 stupňů Celsia, membránový papír dobré kvality uzavře jemný otvor, elektrochemická reakce je ukončena nebo téměř ukončena, proud klesá a teplota také pomalu klesá, čímž se zabrání výbuchu . Ale membránový papír se špatnou rychlostí zavírání nebo takový, který se nezavírá vůbec, udrží baterii v teple, odpaří více elektrolytu a nakonec praskne pouzdro baterie nebo dokonce zvýší teplotu baterie do bodu, kdy se materiál spálí. a exploduje. Vnitřní zkrat je způsoben hlavně otřepy měděné fólie a hliníkové fólie prorážejícími membránu nebo dendritickými krystaly atomů lithia prorážejícími membránu.
Tyto drobné jehlovité kovy mohou způsobit mikrozkraty. Protože jehla je velmi tenká a má určitou hodnotu odporu, proud nemusí být nutně příliš velký. Otřepy měděné hliníkové fólie vznikají ve výrobním procesu. Pozorovaným jevem je, že baterie vytéká příliš rychle a většinu z nich mohou továrny na články nebo montážní závody odclonit. A protože jsou otřepy malé, někdy se spálí, čímž se baterie vrátí do normálu. Pravděpodobnost výbuchu způsobeného mikrozkratem otřepu proto není vysoká. Takový pohled, může často nabíjet zevnitř každé továrny na články, napětí na nízké špatné baterii, ale jen zřídka výbuch, získat statistickou podporu. Výbuch způsobený vnitřním zkratem je proto způsoben především přebitím. Protože na přebité zadní elektrodové desce jsou všude jehličkovité krystaly lithia, jsou všude místa vpichu a všude dochází k mikrozkratu. Proto bude teplota článku postupně stoupat a nakonec vysoká teplota bude elektrolytovat plyn. Tato situace, ať už je teplota příliš vysoká na to, aby došlo k explozi spalování materiálu, nebo byl plášť nejprve rozbit, takže vzduch a prudká oxidace lithiového kovu, jsou koncem exploze.
Ale taková exploze, způsobená vnitřním zkratem způsobeným přebíjením, nemusí nutně nastat v době nabíjení. Je možné, že spotřebitelé přestanou nabíjet a vyjmou své telefony dříve, než bude baterie dostatečně horká na to, aby spálila materiály a vytvořila dostatek plynu k prasknutí pouzdra baterie. Teplo generované četnými zkraty pomalu zahřívá baterii a po nějaké době exploduje. Běžný popis spotřebitelů je, že zvedli telefon a zjistili, že je velmi horký, pak ho vyhodili a explodovali. Na základě výše uvedených typů výbuchů se můžeme zaměřit na prevenci přebití, prevenci vnějšího zkratu a zlepšení bezpečnosti článku. Mezi ně patří prevence přebití a vnějšího zkratu k elektronické ochraně, která velmi souvisí s konstrukcí bateriového systému a bateriového bloku. Klíčovým bodem zlepšování bezpečnosti článků je chemická a mechanická ochrana, která má skvělé vztahy s výrobci článků.
Bezpečný skrytý problém
Bezpečnost lithium-iontové baterie nesouvisí pouze s povahou samotného materiálu článku, ale souvisí také s technologií přípravy a použitím baterie. Baterie mobilních telefonů často explodují jednak v důsledku selhání ochranného obvodu, ale co je důležitější, materiální hledisko problém zásadně nevyřešilo.
Aktivní materiál lithiové katody s kyselinou kobaltovou je velmi vyspělý systém v malých bateriích, ale po plném nabití je na anodě stále mnoho iontů lithia, při přebití se očekává, že se ionty lithia, které zůstávají v anodě, nahrnou na anodu. , se tvoří na katodě dendrit je pomocí kobaltové kyseliny lithiové baterie důsledek přebíjení, a to i v normálním procesu nabíjení a vybíjení, může také být nadbytek iontů lithia volných na záporné elektrodě za účelem vytvoření dendritů. Teoretická specifická energie materiálu kobalátu lithného je více než 270 mah/g, ale skutečná kapacita je pouze polovina teoretické kapacity pro zajištění jeho cyklického výkonu. V procesu používání z nějakého důvodu (jako je poškození řídicího systému) a nabíjecí napětí baterie je příliš vysoké, zbývající část lithia v kladné elektrodě bude odstraněna přes elektrolyt na povrch záporné elektrody v forma ukládání lithiového kovu za vzniku dendritů. Dendrity Propíchnou membránu a vytvoří vnitřní zkrat.
Hlavní složkou elektrolytu je uhličitan, který má nízký bod vzplanutí a nízký bod varu. Za určitých podmínek shoří nebo dokonce exploduje. Pokud se baterie přehřeje, povede to k oxidaci a redukci uhličitanu v elektrolytu, což má za následek velké množství plynu a více tepla. Pokud není pojistný ventil nebo se plyn neuvolňuje pojistným ventilem, vnitřní tlak baterie prudce stoupne a způsobí výbuch.
Lithium-iontová baterie s polymerovým elektrolytem zásadně neřeší bezpečnostní problém, používá se také lithium kobaltová kyselina a organický elektrolyt a elektrolyt je koloidní, nelze snadno uniknout, dojde k prudšímu spalování, spalování je největším problémem bezpečnosti polymerových baterií.
Problémy jsou také s používáním baterie. Vnější nebo vnitřní zkrat může způsobit nadměrný proud o velikosti několika set ampérů. Když dojde k vnějšímu zkratu, baterie okamžitě vybije velký proud, spotřebovává velké množství energie a vytváří obrovské teplo na vnitřním odporu. Vnitřní zkrat vytváří velký proud a teplota stoupá, což způsobí roztavení membrány a rozšíření oblasti zkratu, čímž se vytvoří začarovaný kruh.
Lithium-iontová baterie, aby se dosáhlo jednoho článku 3 ~ 4,2 V vysokého pracovního napětí, musí mít rozklad napětí větší než 2V organického elektrolytu a použití organického elektrolytu ve vysokoproudých, vysokoteplotních podmínkách bude elektrolyzováno, elektrolytické plyn, což má za následek zvýšený vnitřní tlak, vážně prorazí plášť.
Přebití může vysrážet kov lithia, v případě prasknutí pláště, přímého kontaktu se vzduchem, následkem hoření, zároveň zapálení elektrolytu, silného plamene, rychlé expanze plynu, výbuchu.
Kromě toho u lithium-iontových baterií mobilních telefonů v důsledku nesprávného použití, jako je vytlačování, náraz a nasávání vody, dochází k expanzi baterie, deformaci a praskání atd., což povede ke zkratu baterie při vybíjení nebo nabíjení způsobeného tepelným výbuchem.
Bezpečnost lithiových baterií:
Aby se zabránilo nadměrnému vybití nebo přebití způsobenému nesprávným používáním, je v jedné lithium-iontové baterii zabudován trojitý ochranný mechanismus. Jedním z nich je použití spínacích prvků, kdy teplota baterie stoupne, její odpor se zvýší, pokud je teplota příliš vysoká, automaticky zastaví napájení; Druhým je výběr vhodného materiálu přepážky, když teplota stoupne na určitou hodnotu, mikronové póry na přepážce se automaticky rozpustí, takže ionty lithia nemohou projít, vnitřní reakce baterie se zastaví; Třetím je nastavení pojistného ventilu (tedy odvzdušňovacího otvoru v horní části baterie). Když vnitřní tlak baterie stoupne na určitou hodnotu, pojistný ventil se automaticky otevře, aby byla zajištěna bezpečnost baterie.
Někdy, i když samotná baterie má bezpečnostní kontrolní opatření, ale z některých důvodů způsobených selháním ovládání, nedostatek pojistného ventilu nebo plynu nemá čas uvolnit se přes pojistný ventil, vnitřní tlak baterie prudce stoupne a způsobí výbuch. Obecně platí, že celková energie uložená v lithium-iontových bateriích je nepřímo úměrná jejich bezpečnosti. S rostoucí kapacitou baterie se zvětšuje i její objem a zhoršuje se její odvod tepla a značně se zvyšuje možnost nehod. U lithium-iontových baterií používaných v mobilních telefonech je základním požadavkem, aby pravděpodobnost bezpečnostních nehod byla menší než jedna ku milionu, což je také minimální standard přijatelný pro veřejnost. Pro velkokapacitní lithium-iontové baterie, zejména pro automobily, je velmi důležité přijmout nucený odvod tepla.
Výběr bezpečnějších materiálů elektrod, materiálu na bázi oxidu lithného a manganu, pokud jde o molekulární strukturu, aby bylo zajištěno, že ve stavu plného nabití byly ionty lithia v kladné elektrodě zcela zapuštěny do záporné uhlíkové díry, zásadně zabraňuje tvorbě dendritů. Současně je stabilní struktura lithium manganové kyseliny, takže její oxidační výkon je mnohem nižší než lithium kobaltová kyselina, teplota rozkladu lithium kobaltové kyseliny více než 100 ℃, a to i kvůli externímu externímu zkratu (jehlování), externímu zkrat, přebití, může také zcela zabránit nebezpečí vznícení a výbuchu způsobeného vysráženým lithiovým kovem.
Kromě toho může použití materiálu manganistanu lithného také výrazně snížit náklady.
Abychom zlepšili výkon stávající technologie řízení bezpečnosti, musíme nejprve zlepšit bezpečnostní výkon jádra lithium-iontové baterie, což je zvláště důležité pro velkokapacitní baterie. Vyberte membránu s dobrým tepelným uzávěrem. Úlohou membrány je izolovat kladný a záporný pól baterie a zároveň umožnit průchod iontů lithia. Když teplota stoupne, membrána se před roztavením uzavře, čímž se vnitřní odpor zvýší na 2 000 ohmů a vypne se vnitřní reakce. Když vnitřní tlak nebo teplota dosáhnou přednastavené normy, otevře se nevýbušný ventil a začne uvolňovat tlak, aby se zabránilo nadměrnému nahromadění vnitřního plynu, deformaci a nakonec i prasknutí pláště. Zlepšete citlivost ovládání, vyberte citlivější parametry ovládání a osvojte si kombinované ovládání více parametrů (což je zvláště důležité u baterií s velkou kapacitou). Pro velkokapacitní lithium-iontovou baterii je sériová/paralelní vícečlánková kompozice, jako je napětí notebooku vyšší než 10V, velká kapacita, obecně použití 3 až 4 sérií jednotlivých baterií může splnit požadavky na napětí, a pak 2 až 3 série baterie paralelně, aby byla zajištěna velká kapacita.
Samotná vysokokapacitní bateriová sada musí být vybavena relativně dokonalou ochrannou funkcí a je třeba zvážit také dva druhy modulů desek plošných spojů: modul ProtecTionBoardPCB a modul SmartBatteryGaugeBoard. Celé provedení ochrany baterie obsahuje: IC ochrany 1. úrovně (zabránění přebití baterie, nadměrného vybití, zkratu), IC ochrany 2. úrovně (zabránění druhému přepětí), pojistku, LED indikátor, regulaci teploty a další komponenty. V rámci víceúrovňového ochranného mechanismu lze baterii notebooku přepnout pouze do stavu automatické ochrany, a to i v případě abnormální nabíječky a notebooku. Pokud není situace vážná, často po zapojení a odstranění bez výbuchu funguje normálně.
Základní technologie používaná v lithium-iontových bateriích používaných v laptopech a mobilních telefonech není bezpečná a je třeba zvážit bezpečnější struktury.
Závěrem lze konstatovat, že s pokrokem materiálových technologií a prohlubováním chápání požadavků lidí na návrh, výrobu, testování a používání lithium-iontových baterií se budoucnost lithium-iontových baterií stane bezpečnější.
Čas odeslání: březen-07-2022