Litijumske baterije su najbrže rastući sistem baterija u poslednjih 20 godina i naširoko se koriste u elektronskim proizvodima.Nedavna eksplozija mobilnih telefona i laptopa je u suštini eksplozija baterija.Kako izgledaju baterije za mobilne telefone i laptope, kako rade, zašto eksplodiraju i kako ih izbjeći.
Nuspojave počinju da se javljaju kada se litijumska ćelija prepuni do napona većeg od 4,2V.Što je veći pritisak prepune, veći je rizik.Pri naponu većem od 4,2 V, kada manje od polovine atoma litijuma ostane u materijalu katode, ćelija za skladištenje se često urušava, uzrokujući trajno smanjenje kapaciteta baterije.Ako se punjenje nastavi, naknadni litijumski metali će se gomilati na površini katodnog materijala, budući da je ćelija za skladištenje katode već puna atoma litija.Ovi atomi litija rastu dendritične kristale s površine katode u smjeru litijevih jona.Kristali litija će proći kroz papir dijafragme, kratko spojiti anodu i katodu.Ponekad baterija eksplodira prije nego što dođe do kratkog spoja.To je zato što tokom procesa prekomjernog punjenja, materijali kao što su elektroliti pucaju kako bi proizveli plin koji uzrokuje bubrenje i pucanje kućišta baterije ili tlačnog ventila, dopuštajući kisiku da reagira s atomima litijuma nakupljenim na površini negativne elektrode i eksplodira.
Stoga je prilikom punjenja litijumske baterije potrebno postaviti gornju granicu napona, kako bi se uzeo u obzir vijek trajanja baterije, kapacitet i sigurnost.Idealna gornja granica napona punjenja je 4,2V.Također bi trebala postojati niža granica napona kada se litijumske ćelije isprazne.Kada napon ćelije padne ispod 2,4 V, dio materijala počinje da se raspada.A pošto će se baterija samopražnjiti, stavite što duže napon će biti niži, stoga je najbolje da ne ispraznite 2,4V da prestane.Od 3,0 V do 2,4 V, litijumske baterije oslobađaju samo oko 3% svog kapaciteta.Stoga je 3,0 V idealan napon prekida pražnjenja.Prilikom punjenja i pražnjenja, osim ograničenja napona, potrebno je i ograničenje struje.Kada je struja previsoka, litijum ioni nemaju vremena da uđu u ćeliju za skladištenje, akumuliraće se na površini materijala.
Kako ovi ioni dobijaju elektrone, kristaliziraju atome litija na površini materijala, što može biti opasno kao i prekomjerno punjenje.Ako se kućište baterije pokvari, eksplodiraće.Stoga zaštita litijum-jonske baterije treba da sadrži najmanje gornju granicu napona punjenja, donju granicu napona pražnjenja i gornju granicu struje.Generalno, pored jezgre litijumske baterije, postojaće i zaštitna ploča, koja uglavnom treba da obezbedi ove tri zaštite.Međutim, zaštitna ploča ove tri zaštite očito nije dovoljna, globalni događaji eksplozije litijumske baterije ili česti.Da bi se osigurala sigurnost baterijskih sistema, potrebna je pažljivija analiza uzroka eksplozije baterija.
Uzrok eksplozije:
1. Velika unutrašnja polarizacija;
2. Stub upija vodu i reaguje sa bubnjem za gas elektrolita;
3.Kvalitet i performanse samog elektrolita;
4. Količina ubrizgavanja tekućine ne može zadovoljiti zahtjeve procesa;
5. Performanse zaptivke za lasersko zavarivanje su loše u procesu pripreme i otkriveno je curenje zraka.
6. Prašinu i prašinu od stubova lako je prvo izazvati mikrokratki spoj;
7.Pozitivna i negativna ploča deblja od opsega procesa, teško se ljuštiti;
8. Problem zaptivanja ubrizgavanja tečnosti, loše performanse zaptivanja čelične kugle dovodi do gasnog bubnja;
9.Shell ulazni materijal ljuske zid školjke je predebeo, deformacija školjke utječe na debljinu;
10. Visoka vanjska temperatura okoline je također glavni uzrok eksplozije.
Vrsta eksplozije
Analiza tipa eksplozije Tipovi eksplozije jezgra baterije mogu se klasificirati kao vanjski kratki spoj, unutrašnji kratki spoj i prekomjerno punjenje.Spoljašnje se ovdje odnosi na vanjski dio ćelije, uključujući kratki spoj uzrokovan lošim dizajnom izolacije unutrašnjeg paketa baterija.Kada dođe do kratkog spoja izvan ćelije, a elektronske komponente ne uspiju prekinuti petlju, ćelija će generirati veliku toplinu unutra, uzrokujući isparavanje dijela elektrolita, omotača baterije.Kada je unutrašnja temperatura baterije visoka do 135 stepeni Celzijusa, membranski papir dobrog kvaliteta će zatvoriti finu rupu, elektrohemijska reakcija je prekinuta ili skoro prekinuta, struja pada, a temperatura takođe polako opada, čime se izbegava eksplozija .Ali papir sa dijafragmom s lošom brzinom zatvaranja ili onaj koji se uopće ne zatvara, održavat će bateriju toplom, ispariti više elektrolita i na kraju puknuti kućište baterije, ili čak podići temperaturu baterije do tačke u kojoj materijal izgori i eksplodira.Unutarnji kratki spoj je uglavnom uzrokovan šišanjem bakrene folije i aluminijske folije koje probijaju dijafragmu, ili dendritskim kristalima atoma litija koji probijaju dijafragmu.
Ovi sićušni metali nalik igli mogu uzrokovati mikrokratke spojeve.Budući da je igla vrlo tanka i ima određenu vrijednost otpora, struja nije nužno velika.Neravnine na bakarnoj aluminijskoj foliji nastaju u procesu proizvodnje.Uočeni fenomen je da baterija prebrzo curi, a većina ih može biti zaštićena od strane tvornica ćelija ili montažnih pogona.A budući da su izbočine male, ponekad izgore, vraćajući bateriju u normalu.Stoga, vjerojatnost eksplozije uzrokovane mikro kratkim spojem burr nije velika.Takav pogled, često se može puniti iz unutrašnjosti svake tvorničke ćelije, napon na slaboj bateriji, ali rijetko eksplozija, dobija statističku podršku.Stoga je eksplozija uzrokovana unutrašnjim kratkim spojem uglavnom uzrokovana prekomjernim punjenjem.Budući da se posvuda na prenapunjenoj zadnjoj ploči elektrode nalaze igličasti metalni kristali, mjesta uboda su posvuda, a mikrokratki spoj se javlja posvuda.Stoga će temperatura ćelije postupno rasti, a na kraju će visoka temperatura elektroliti plin.Ova situacija, bez obzira da li je temperatura previsoka da bi došlo do eksplozije sagorijevanja materijala, ili je ljuska prvo slomljena, tako da su zrak unutra i žestoka oksidacija litij metala kraj eksplozije.
Ali takva eksplozija, uzrokovana unutrašnjim kratkim spojem uzrokovanim prekomjernim punjenjem, ne mora se dogoditi u trenutku punjenja.Moguće je da će potrošači prestati da se pune i izvaditi svoje telefone prije nego što se baterija dovoljno zagrije da sagori 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 otkrili da je jako vruć, a zatim ga bacili i eksplodirao.Na osnovu gore navedenih vrsta eksplozije, možemo se fokusirati na prevenciju prepunjavanja, prevenciju vanjskog kratkog spoja i poboljšati sigurnost ćelije.Među njima, sprečavanje prepunjavanja i eksternog kratkog spoja spada u elektronsku zaštitu, koja je u velikoj meri povezana sa dizajnom baterijskog sistema i baterijskog paketa.Ključna tačka poboljšanja sigurnosti ćelija je hemijska i mehanička zaštita, koja ima odličan odnos sa proizvođačima ćelija.
Sigurno skrivene nevolje
Sigurnost litijum-jonske baterije nije povezana samo sa prirodom samog materijala ćelije, već i sa tehnologijom pripreme i upotrebom baterije.Baterije mobilnih telefona često eksplodiraju, s jedne strane, zbog kvara zaštitnog kola, ali što je još važnije, materijalni aspekt nije suštinski riješio problem.
Aktivni materijal litijumske katode kobaltne kiseline je veoma zreo sistem u malim baterijama, ali nakon punog punjenja, još uvek ima mnogo litijum jona na anodi, kada se očekuje da će prenapunjenost, preostali u anodi litijum jona stići na anodu , formiran na katodi dendrit koristi kobaltnu kiselinu litijumsku bateriju prekomjernog punjenja, čak iu normalnom procesu punjenja i pražnjenja, također može biti višak litijumskih jona slobodnih na negativnoj elektrodi da formiraju dendrite.Teoretska specifična energija materijala litij kobalata je više od 270 mah/g, ali stvarni kapacitet je samo polovica teoretskog kapaciteta da bi se osigurale njegove performanse ciklusa.U procesu upotrebe, zbog nekog razloga (kao što je oštećenje upravljačkog sistema) i previsok napon punjenja baterije, preostali dio litijuma u pozitivnoj elektrodi će se ukloniti, preko elektrolita do površine negativne elektrode u u obliku taloženja metala litijuma u obliku dendrita.Dendriti probijaju dijafragmu, stvarajući unutrašnji kratki spoj.
Glavna komponenta elektrolita je karbonat, koji ima nisku tačku paljenja i nisku tačku ključanja.Pod određenim uvjetima će izgorjeti ili čak eksplodirati.Ako se baterija pregrije, to će dovesti do oksidacije i redukcije karbonata u elektrolitu, što rezultira puno plina i više topline.Ako nema sigurnosnog ventila ili se gas ne ispušta kroz sigurnosni ventil, unutrašnji pritisak baterije će naglo porasti i izazvati eksploziju.
Polimerni elektrolit litijum-jonska baterija u osnovi ne rješava sigurnosni problem, također se koriste litijum-kobaltna kiselina i organski elektrolit, a elektrolit je koloidni, nije lako curiti, doći će do snažnijeg izgaranja, izgaranje je najveći problem sigurnosti polimerne baterije.
Postoje i određeni problemi s korištenjem baterije.Eksterni ili unutrašnji 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 ogromnu toplinu na unutrašnjem otporu.Unutrašnji kratki spoj stvara veliku struju, a temperatura raste, uzrokujući topljenje dijafragme i širenje područja kratkog spoja, stvarajući tako začarani krug.
Litijum-jonska baterija kako bi se postigla jedna ćelija od 3 ~ 4,2V visokog radnog napona, mora poduzeti razlaganje napona većeg od 2V organskog elektrolita, a upotreba organskog elektrolita u visokostrujnim, visokotemperaturnim uvjetima će biti elektrolizirana, elektrolitička gas, što dovodi do povećanog unutrašnjeg pritiska, ozbiljno će probiti ljusku.
Prekomjerno punjenje može istaložiti metalni litijum, u slučaju pucanja školjke, direktnog kontakta sa vazduhom, što rezultira sagorevanjem, istovremeno paljenjem elektrolita, jakim plamenom, brzim širenjem gasa, eksplozijom.
Osim toga, za mobilni telefon litijum-jonske baterije, zbog nepravilne upotrebe, kao što su istiskivanje, udar i uzimanje vode, dovode do ekspanzije baterije, deformacije i pucanja itd., što će dovesti do kratkog spoja baterije, u procesu pražnjenja ili punjenja. toplotnom eksplozijom.
Sigurnost litijumskih baterija:
Kako bi se izbjeglo prekomjerno pražnjenje ili prekomjerno punjenje uzrokovano nepravilnom upotrebom, trostruki zaštitni mehanizam je postavljen u jednu litijum-jonsku bateriju.Jedan je upotreba sklopnih elemenata, kada temperatura baterije poraste, njen otpor će porasti, kada je temperatura previsoka, automatski će prekinuti napajanje;Drugi je odabir odgovarajućeg materijala za pregradu, kada temperatura poraste na određenu vrijednost, mikronske pore na pregradi će se automatski otopiti, tako da litijevi joni ne mogu proći, unutrašnja reakcija baterije se zaustavlja;Treći je postavljanje sigurnosnog ventila (tj. otvora za ventilaciju na vrhu baterije).Kada unutrašnji pritisak baterije poraste na određenu vrijednost, 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 kvarom kontrole, nedostatak sigurnosnog ventila ili plina nemaju vremena za otpuštanje kroz sigurnosni ventil, unutrašnji tlak baterije će naglo porasti i uzrokovati eksploziju.Općenito, ukupna energija pohranjena u litijum-jonskim baterijama obrnuto je proporcionalna njihovoj sigurnosti.Kako se kapacitet baterije povećava, volumen baterije se također povećava, a njen učinak odvođenja topline se pogoršava, a mogućnost nezgoda će se znatno povećati.Za litijum-jonske baterije koje se koriste u mobilnim telefonima, osnovni zahtev je da verovatnoća bezbednosnih nezgoda bude manja od jedan prema milion, što je ujedno i minimalni standard prihvatljiv za javnost.Za litijum-jonske baterije velikog kapaciteta, posebno za automobile, veoma je važno usvojiti prisilno odvođenje toplote.
Odabir sigurnijih elektrodnih materijala, materijala litijum-mangan oksida, u smislu molekularne strukture kako bi se osiguralo da su litijevi ioni u pozitivnoj elektrodi u potpunosti ugrađeni u negativnu ugljičnu rupu, u osnovi izbjegava stvaranje dendrita.U isto vrijeme, stabilna struktura litij-manganske kiseline, tako da je njena oksidacijska učinkovitost daleko niža od litij-kobaltne kiseline, temperatura raspadanja litij-kobaltne kiseline veća od 100 ℃, čak i zbog vanjskog vanjskog kratkog spoja (igla), vanjskog kratki spoj, prekomjerno punjenje, također može u potpunosti izbjeći opasnost od izgaranja i eksplozije uzrokovane istaloženim metalom litijuma.
Osim toga, korištenje materijala litij-manganata također može uvelike smanjiti troškove.
Da bismo poboljšali performanse postojeće tehnologije sigurnosne kontrole, prvo moramo poboljšati sigurnosne performanse jezgra litijum-jonske baterije, što je posebno važno za baterije velikog kapaciteta.Odaberite dijafragmu s dobrim termičkim performansama zatvaranja.Uloga dijafragme je da izoluje pozitivne i negativne polove baterije dok omogućava prolaz litijum-jonima.Kada temperatura poraste, membrana se zatvara prije nego što se otopi, podižući unutrašnji otpor na 2.000 oma i zaustavljajući unutrašnju reakciju.Kada unutarnji tlak ili temperatura dosegnu unaprijed postavljeni standard, ventil otporan na eksploziju će se otvoriti i početi oslobađati tlak kako bi se spriječilo prekomjerno nakupljanje unutarnjeg plina, deformacije i na kraju dovele do pucanja školjke.Poboljšajte osjetljivost kontrole, odaberite osjetljivije kontrolne parametre i usvojite kombinovanu kontrolu više parametara (što je posebno važno za baterije velikog kapaciteta).Za litijum-jonske baterije velikog kapaciteta je serija/paralelna višećelijska kompozicija, kao što je napon prijenosnog računala veći od 10V, veliki kapacitet, općenito korištenje 3 do 4 pojedinačne serije baterija može zadovoljiti zahtjeve napona, a zatim 2 do 3 serije baterija paralelno, kako bi se osigurao veliki kapacitet.
Sama baterija velikog kapaciteta mora biti opremljena relativno savršenom zaštitnom funkcijom, a treba uzeti u obzir i dvije vrste modula ploča: ProtectionBoardPCB modul i SmartBatteryGaugeBoard modul.Cijeli dizajn zaštite baterije uključuje: nivo 1 zaštite IC (sprečavanje prekomjernog punjenja baterije, prekomjernog pražnjenja, kratkog spoja), nivo 2 zaštite IC (sprečavanje drugog prenapona), osigurač, LED indikator, regulaciju temperature i druge komponente.Pod višeslojnim zaštitnim mehanizmom, čak i u slučaju nenormalnog napajanja punjača i laptopa, baterija laptopa se može prebaciti samo u automatsko zaštitno stanje.Ako situacija nije ozbiljna, često radi normalno nakon što se priključi i ukloni bez eksplozije.
Osnovna tehnologija koja se koristi u litijum-jonskim baterijama koje se koriste u laptopima i mobilnim telefonima nije bezbedna i potrebno je razmotriti sigurnije strukture.
Zaključno, s napretkom tehnologije materijala i produbljivanjem razumijevanja ljudi o zahtjevima za dizajn, proizvodnju, testiranje i upotrebu litijum-jonskih baterija, budućnost litijum-jonskih baterija će postati sigurnija.
Vrijeme objave: mar-07-2022