Літієві батареї є найшвидше зростаючою акумуляторною системою за останні 20 років і широко використовуються в електронних продуктах.Недавній вибух мобільних телефонів і ноутбуків — це, по суті, вибух акумуляторів.Як виглядають акумулятори телефонів і ноутбуків, як вони працюють, чому вони вибухають і як їх уникнути.
Побічні ефекти починають виникати, коли літієвий елемент перезаряджається до напруги вище 4,2 В.Чим вищий тиск надлишкового заряду, тим вищий ризик.При напрузі вище 4,2 В, коли в катодному матеріалі залишається менше половини атомів літію, накопичувальна комірка часто руйнується, викликаючи постійне зниження ємності батареї.Якщо зарядка триватиме, наступні метали літію накопичуватимуться на поверхні катодного матеріалу, оскільки накопичувальна комірка катода вже заповнена атомами літію.Ці атоми літію вирощують дендритні кристали з поверхні катода в напрямку іонів літію.Кристали літію проходитимуть через діафрагмовий папір, замикаючи анод і катод.Іноді акумулятор вибухає ще до короткого замикання.Це тому, що під час процесу перезарядження такі матеріали, як електроліти, тріскаються, утворюючи газ, який спричиняє здуття корпусу батареї або напірний клапан і вибух, що дозволяє кисню реагувати з атомами літію, накопиченими на поверхні негативного електрода, і вибухати.
Тому під час заряджання літієвої батареї необхідно встановити верхню межу напруги, щоб врахувати термін служби батареї, ємність і безпеку.Ідеальна верхня межа зарядної напруги становить 4,2 В.Також має бути нижня межа напруги, коли літієві елементи розряджаються.Коли напруга в елементі падає нижче 2,4 В, частина матеріалу починає руйнуватися.А оскільки батарея буде саморозряджатися, ставте тим довше, що напруга буде нижчою, тому краще не розряджати 2,4В, щоб зупинитися.Від 3,0 В до 2,4 В літієві батареї вивільняють лише близько 3% своєї ємності.Таким чином, 3,0 В є ідеальною напругою відсікання розряду.При зарядці і розрядці, крім граничної напруги, необхідний також граничний струм.Коли струм занадто великий, іони літію не встигають увійти в накопичувальну комірку, будуть накопичуватися на поверхні матеріалу.
Коли ці іони отримують електрони, вони кристалізують атоми літію на поверхні матеріалу, що може бути таким же небезпечним, як і перезаряд.Якщо корпус акумулятора зламається, він вибухне.Таким чином, захист літій-іонного акумулятора повинен принаймні включати верхню межу напруги заряджання, нижню межу напруги розряду та верхню межу струму.Загалом, на додаток до ядра літієвої батареї, буде захисна пластина, яка головним чином забезпечує ці три захисту.Однак захисна пластина цих трьох захистів, очевидно, недостатня, глобальні події вибуху літієвої батареї або часті.Щоб забезпечити безпеку акумуляторних систем, потрібен більш ретельний аналіз причин вибуху акумуляторів.
Причина вибуху:
1. Велика внутрішня поляризація;
2. Полюсний наконечник поглинає воду та реагує з барабаном електроліту;
3. Якість і продуктивність самого електроліту;
4. Кількість рідини, що вводиться, не відповідає вимогам процесу;
5. Продуктивність ущільнення лазерного зварювання низька в процесі підготовки, і виявлено витік повітря.
6. Пил і полюсний пил легко спричинити мікрокоротке замикання;
7. Позитивна та негативна пластина товщі, ніж діапазон процесу, важко оболонку;
8. Проблема герметизації вприскування рідини, погана герметичність сталевої кульки призводить до газового барабана;
9. Вхідний матеріал оболонки, стінка оболонки занадто товста, деформація оболонки впливає на товщину;
10. Висока температура навколишнього середовища також є основною причиною вибуху.
Тип вибуху
Аналіз типу вибуху Типи вибуху сердечника акумулятора можна класифікувати як зовнішнє коротке замикання, внутрішнє коротке замикання та перезаряд.Зовнішнє тут стосується зовнішнього боку елемента, включаючи коротке замикання, спричинене поганою ізоляційною конструкцією внутрішньої батареї.Коли коротке замикання відбувається поза коміркою, і електронні компоненти не можуть відключити петлю, комірка буде генерувати високу температуру всередині, спричиняючи випаровування частини електроліту, оболонки батареї.Коли внутрішня температура батареї досягає 135 градусів за Цельсієм, діафрагмовий папір хорошої якості закриває тонкий отвір, електрохімічна реакція припиняється або майже припиняється, струм падає, а температура також падає повільно, таким чином уникаючи вибуху. .Але діафрагмовий папір із поганою швидкістю закриття або такий, що не закривається взагалі, збереже батарею в теплі, випаровуватиме більше електроліту та зрештою розірве корпус батареї або навіть підвищить температуру батареї до точки, коли матеріал горить. і вибухає.Внутрішнє коротке замикання в основному спричинене задирками мідної та алюмінієвої фольги, що пронизують діафрагму, або дендритними кристалами атомів літію, які пронизують діафрагму.
Ці крихітні голчасті метали можуть спричинити мікрокоротке замикання.Оскільки голка дуже тонка і має певне значення опору, сила струму не обов’язково буде дуже великою.Задирки мідної алюмінієвої фольги утворюються в процесі виробництва.Спостережуване явище полягає в тому, що батарея витікає занадто швидко, і більшість із них можуть бути відсіяні на фабриках по виготовленню елементів живлення або складальних підприємствах.І оскільки задирки невеликі, вони іноді згорають, повертаючи батарею до нормального стану.Тому ймовірність вибуху, спричиненого мікрокоротким замиканням задирки, невелика.Такий погляд, часто може заряджатися зсередини кожної клітинної фабрики, напруга на низькій поганій батареї, але рідко вибух, отримати статистичну підтримку.Тому вибух, спричинений внутрішнім коротким замиканням, в основному спричинений перезарядом.Оскільки на надто зарядженому задньому листі електрода скрізь розташовані голчасті кристали металевого літію, скрізь є точки проколів, і скрізь виникає мікрокоротке замикання.Таким чином, температура комірки буде поступово підвищуватися, і, нарешті, висока температура буде газом електроліту.Ця ситуація, незалежно від того, чи є температура занадто високою для вибуху горіння матеріалу, або оболонка була спочатку зламана, так що повітря всередині та металевий літій запекло окислення, є кінцем вибуху.
Але такий вибух, викликаний внутрішнім коротким замиканням, спричиненим надмірним заряджанням, не обов'язково відбувається під час заряджання.Цілком можливо, що споживачі припинять заряджання та вийматимуть свої телефони до того, як батарея нагріється настільки, щоб спалити матеріали та виробити достатньо газу, щоб лопнути корпус батареї.Тепло, що виділяється численними короткими замиканнями, повільно нагріває акумулятор і через деякий час вибухає.Споживачі зазвичай описують те, що вони підняли телефон і виявили, що він дуже гарячий, а потім викинули його та вибухнули.Виходячи з наведених вище типів вибуху, ми можемо зосередитися на запобіганні перезаряду, запобіганні зовнішньому короткому замиканню та покращенні безпеки клітини.Серед них запобігання перезаряду та зовнішнього короткого замикання належить до електронного захисту, який значною мірою пов’язаний з конструкцією акумуляторної системи та акумуляторної батареї.Ключовим моментом підвищення безпеки клітин є хімічний та механічний захист, який має чудові стосунки з виробниками клітин.
Безпечна прихована біда
Безпека літій-іонної батареї пов’язана не лише з природою самого матеріалу елемента, а й із технологією виготовлення та використання батареї.Батареї мобільних телефонів часто вибухають, з одного боку, через збій схеми захисту, але, що більш важливо, матеріальний аспект принципово не вирішує проблему.
Активний матеріал кобальтово-кислотного літієвого катода є дуже зрілою системою в невеликих батареях, але після повного заряду на аноді все ще багато іонів літію, коли очікується, що при перезаряді залишилися в аноді іони літію стікаються до анода. , утворюється на катодному дендриті за допомогою кобальтово-кислотної літієвої батареї. Наслідком перезаряду, навіть у нормальному процесі заряджання та розряджання, також може бути надлишок іонів літію, вільний від негативного електрода, щоб утворити дендрити.Теоретична питома енергія літієвого кобалатного матеріалу становить понад 270 мА/г, але фактична ємність становить лише половину теоретичної ємності для забезпечення його циклічної продуктивності.У процесі використання через певну причину (наприклад, пошкодження системи керування) і напруга заряджання акумулятора занадто висока, частина літію, що залишилася в позитивному електроді, буде видалена через електроліт до поверхні негативного електрода в форма осадження металевого літію з утворенням дендритів.Дендрити проколюють діафрагму, створюючи внутрішнє коротке замикання.
Основним компонентом електроліту є карбонат, який має низьку температуру спалаху і низьку температуру кипіння.За певних умов він згорить або навіть вибухне.Якщо батарея перегріється, це призведе до окислення та відновлення карбонату в електроліті, в результаті чого утвориться багато газу та більше тепла.Якщо немає запобіжного клапана або газ не випускається через запобіжний клапан, внутрішній тиск батареї різко підвищиться і спричинить вибух.
Літій-іонна батарея з полімерним електролітом принципово не вирішує проблему безпеки, також використовуються літій-кобальтова кислота та органічний електроліт, а електроліт є колоїдним, його нелегко витікати, буде відбуватися більш бурхливе горіння, горіння є найбільшою проблемою безпеки полімерного акумулятора.
Також є деякі проблеми з використанням акумулятора.Зовнішнє або внутрішнє коротке замикання може викликати надмірний струм на кілька сотень ампер.Коли відбувається зовнішнє коротке замикання, акумулятор миттєво розряджається великим струмом, споживаючи велику кількість енергії та виробляючи величезне тепло на внутрішньому опорі.Внутрішнє коротке замикання створює великий струм, і температура підвищується, спричиняючи плавлення діафрагми та розширення зони короткого замикання, таким чином утворюючи порочне коло.
Літій-іонна батарея, щоб досягти високої робочої напруги однієї клітини 3 ~ 4,2 В, повинна прийняти розкладання напруги, що перевищує 2 В органічного електроліту, і використання органічного електроліту в умовах сильного струму, високих температур буде електролізованим, електролітичним газ, що призводить до підвищення внутрішнього тиску, серйозно прорве оболонку.
Перезаряд може осадити металевий літій, у разі розриву оболонки, безпосереднього контакту з повітрям, що призводить до горіння, одночасно займання електроліту, сильного полум'я, швидкого розширення газу, вибуху.
Крім того, літій-іонна батарея мобільного телефону через неправильне використання, наприклад, екструзію, удар і водозабір призводить до розширення батареї, деформації та розтріскування тощо, що призведе до короткого замикання батареї в процесі розрядки або заряджання, викликаного шляхом теплового вибуху.
Безпека літієвих батарей:
Щоб уникнути перерозряду або перезаряду, викликаного неправильним використанням, в одній літій-іонній батареї встановлено потрійний механізм захисту.Одним з них є використання перемикаючих елементів, коли температура батареї підвищується, її опір зростає, коли температура занадто висока, автоматично припиняє подачу живлення;По-друге, вибрати відповідний матеріал перегородки, коли температура піднімається до певного значення, мікронні пори на перегородці автоматично розчиняться, так що іони літію не можуть пройти, внутрішня реакція акумулятора припиняється;Третій – встановити запобіжний клапан (тобто вентиляційний отвір у верхній частині батареї).Коли внутрішній тиск батареї підвищується до певного значення, запобіжний клапан автоматично відкривається, щоб забезпечити безпеку батареї.
Іноді, хоча сама батарея має заходи безпеки, але через деякі причини, спричинені збоєм керування, відсутністю запобіжного клапана або газ не встигає випустити через запобіжний клапан, внутрішній тиск батареї різко підвищиться і спричинить вибух.Як правило, загальна енергія, що накопичується в літій-іонних акумуляторах, обернено пропорційна їх безпеці.Зі збільшенням ємності батареї збільшується і її об’єм, а її тепловіддача погіршується, а ймовірність нещасних випадків значно зростає.Для літій-іонних акумуляторів, які використовуються в мобільних телефонах, основною вимогою є те, що ймовірність нещасних випадків, пов’язаних із безпекою, повинна бути менше одного на мільйон, що також є мінімальним стандартом, прийнятним для населення.Для літій-іонних акумуляторів великої ємності, особливо для автомобілів, дуже важливо застосувати примусове розсіювання тепла.
Вибір більш безпечних матеріалів для електродів, літій-марганцевий оксидний матеріал, з точки зору молекулярної структури, щоб гарантувати, що в стані повного заряду іони літію в позитивному електроді повністю вбудовані в негативний вуглецевий отвір, принципово уникають утворення дендритів.У той же час, стабільна структура літій-марганцевої кислоти, так що її ефективність окислення набагато нижча, ніж літій-кобальтова кислота, температура розкладання літій-кобальтової кислоти перевищує 100 ℃, навіть через зовнішнє зовнішнє коротке замикання (голкою), зовнішнє коротке замикання, перезарядження, також можна повністю уникнути небезпеки займання та вибуху, викликаного осадом металевого літію.
Крім того, використання матеріалу марганату літію також може значно знизити вартість.
Щоб покращити ефективність існуючої технології контролю безпеки, ми повинні спочатку покращити ефективність безпеки ядра літій-іонного акумулятора, що особливо важливо для акумуляторів великої ємності.Виберіть діафрагму з хорошими характеристиками термічного закриття.Роль діафрагми полягає в ізоляції позитивних і негативних полюсів батареї, одночасно дозволяючи проходити іони літію.Коли температура підвищується, мембрана закривається до того, як розплавиться, підвищуючи внутрішній опір до 2000 Ом і припиняючи внутрішню реакцію.Коли внутрішній тиск або температура досягає заданого стандарту, вибухозахищений клапан відкриється та почне скидати тиск, щоб запобігти надмірному накопиченню внутрішнього газу, деформації та, зрештою, призвести до розриву оболонки.Підвищте чутливість керування, виберіть більш чутливі параметри керування та застосуйте комбіноване керування кількома параметрами (що особливо важливо для акумуляторів великої ємності).Для літій-іонної батареї великої ємності є послідовна/паралельна композиція з декількома елементами, наприклад, напруга ноутбука перевищує 10 В, велика ємність, як правило, використання 3-4 окремих серій батарей може відповідати вимогам до напруги, а потім 2-3 серії батарей батарейний блок паралельно, щоб забезпечити велику ємність.
Акумуляторна батарея великої ємності повинна бути оснащена відносно ідеальною функцією захисту, а також слід розглянути два типи модулів друкованих плат: модуль ProtectIonBoardPCB і модуль SmartBatteryGaugeBoard.Уся конструкція захисту батареї включає: IC захисту рівня 1 (запобігання перезаряду батареї, надмірного розряду, короткого замикання), IC захисту 2 рівня (запобігання другому перенапрузі), запобіжник, світлодіодний індикатор, регулювання температури та інші компоненти.За допомогою механізму багаторівневого захисту, навіть у разі ненормального зарядного пристрою та ноутбука, акумулятор ноутбука можна перевести лише в стан автоматичного захисту.Якщо ситуація несерйозна, він часто працює нормально після підключення та видалення без вибуху.
Технологія, що лежить в основі літій-іонних акумуляторів, які використовуються в ноутбуках і мобільних телефонах, є небезпечною, тому необхідно розглянути більш безпечні конструкції.
Підсумовуючи, з прогресом технології матеріалів і поглибленням розуміння людьми вимог до розробки, виробництва, тестування та використання літій-іонних батарей майбутнє літій-іонних батарей стане безпечнішим.
Час публікації: 07.03.2022