Литијумске батерије су најбрже растући систем батерија у последњих 20 година и широко се користе у електронским производима.Недавна експлозија мобилних телефона и лаптопа је у суштини експлозија батерија.Како изгледају батерије за мобилне телефоне и лаптопе, како раде, зашто експлодирају и како их избећи.
Нежељени ефекти почињу да се јављају када се литијумска ћелија препуни до напона већег од 4,2В.Што је већи притисак прекомерног пуњења, већи је ризик.При напону већем од 4,2 В, када мање од половине литијумових атома остане у материјалу катоде, ћелија за складиштење се често урушава, узрокујући трајно смањење капацитета батерије.Ако се пуњење настави, накнадни литијумски метали ће се гомилати на површини катодног материјала, пошто је ћелија за складиштење катоде већ пуна атома литијума.Ови атоми литијума расту дендритичне кристале са површине катоде у правцу литијум јона.Кристали литијума ће проћи кроз папир дијафрагме, кратко спојити аноду и катоду.Понекад батерија експлодира пре него што дође до кратког споја.То је зато што током процеса прекомерног пуњења, материјали као што су електролити пуцају да би произвели гас који узрокује да кућиште батерије или вентил за притисак набрекне и пукне, дозвољавајући кисеонику да реагује са атомима литијума акумулираних на површини негативне електроде и експлодира.
Због тога је приликом пуњења литијумске батерије потребно подесити горњу границу напона, како би се узео у обзир век трајања батерије, капацитет и безбедност.Идеална горња граница напона пуњења је 4,2В.Такође би требало да постоји нижа граница напона када се литијумске ћелије испразне.Када напон ћелије падне испод 2,4 В, део материјала почиње да се разбија.И пошто ће се батерија самопражњети, ставите што дуже напон ће бити нижи, стога је најбоље да не испразните 2,4В да се заустави.Од 3,0 В до 2,4 В, литијумске батерије ослобађају само око 3% свог капацитета.Стога је 3,0 В идеалан напон прекида пражњења.Приликом пуњења и пражњења, поред ограничења напона, неопходно је и ограничење струје.Када је струја превисока, литијум јони немају времена да уђу у ћелију за складиштење, акумулираће се на површини материјала.
Како ови јони добијају електроне, они кристалишу атоме литијума на површини материјала, што може бити опасно као и прекомерно пуњење.Ако се кућиште батерије поквари, експлодираће.Дакле, заштита литијум-јонске батерије треба да садржи најмање горњу границу напона пуњења, доњу границу напона пражњења и горњу границу струје.Генерално, поред језгра литијумске батерије, постојаће и заштитна плоча, која углавном треба да обезбеди ове три заштите.Међутим, заштитна плоча ове три заштите очигледно није довољна, глобални догађаји експлозије литијумске батерије или чести.Да би се осигурала безбедност батеријских система, потребна је пажљивија анализа узрока експлозије батерија.
Узрок експлозије:
1. Велика унутрашња поларизација;
2. Стуб упија воду и реагује са бубњем за гас електролита;
3.Квалитет и перформансе самог електролита;
4. Количина убризгавања течности не може задовољити захтеве процеса;
5. Перформансе заптивке за ласерско заваривање су лоше у процесу припреме и откривено је цурење ваздуха.
6. Прашина и прашина од стубова лако се прво изазивају микрократки спој;
7.Позитивна и негативна плоча дебља од опсега процеса, тешко се љуштити;
8. Проблем заптивања убризгавања течности, лоше перформансе заптивања челичне кугле доводи до гасног бубња;
9. Зид шкољке улазног материјала је предебео, деформација шкољке утиче на дебљину;
10. Висока спољна температура је такође главни узрок експлозије.
Тип експлозије
Анализа типа експлозије Типови експлозије језгра батерије могу се класификовати као екстерни кратки спој, унутрашњи кратки спој и прекомерно пуњење.Спољашње се овде односи на спољашњост ћелије, укључујући кратки спој узрокован лошим дизајном изолације унутрашњег пакета батерија.Када дође до кратког споја изван ћелије, а електронске компоненте не успеју да пресеку петљу, ћелија ће генерисати високу топлоту унутра, узрокујући испаравање дела електролита, омотача батерије.Када је унутрашња температура батерије висока до 135 степени Целзијуса, папир са дијафрагмом доброг квалитета ће затворити фину рупу, електрохемијска реакција је прекинута или скоро прекинута, струја пада, а температура такође полако опада, чиме се избегава експлозија .Али папир са дијафрагмом са лошом брзином затварања или онај који се уопште не затвара, одржаваће батерију топлом, испарити више електролита и на крају ће пукнути кућиште батерије или чак подићи температуру батерије до тачке у којој материјал изгоре и експлодира.Унутрашњи кратак спој је углавном узрокован бушењем бакарне фолије и алуминијумске фолије које пробијају дијафрагму, или дендритским кристалима атома литијума који пробијају дијафрагму.
Ови сићушни метали налик игли могу изазвати микрократке спојеве.Пошто је игла веома танка и има одређену вредност отпора, струја није нужно велика.Неравнине на бакарној алуминијумској фолији настају у процесу производње.Уочени феномен је да батерија пребрзо цури, а већина њих може бити заштићена од стране фабрика ћелија или монтажних погона.А пошто су неравнине мале, понекад изгоре, враћајући батерију у нормалу.Према томе, вероватноћа експлозије изазване микро кратким спојем бурр није велика.Такав поглед, често се може пунити из унутрашњости сваке фабрике ћелије, напон на слабој батерији, али ретко експлозија, добија статистичку подршку.Због тога је експлозија изазвана унутрашњим кратким спојем углавном узрокована прекомерним пуњењем.Пошто се свуда на пренапуњеној задњој електроди налазе игличасти метални кристали, места убода су свуда, а микрократки спој се дешава свуда.Због тога ће температура ћелије постепено расти, а на крају ће висока температура електролит гаса.Ова ситуација, без обзира да ли је температура превисока да би дошло до експлозије сагоревања материјала, или је љуска прво сломљена, тако да ваздух унутра и жестока оксидација литијумског метала представљају крај експлозије.
Али таква експлозија, узрокована унутрашњим кратким спојем изазваним прекомерним пуњењем, не мора да се догоди у тренутку пуњења.Могуће је да ће потрошачи престати да се пуне и извадити своје телефоне пре него што се батерија довољно загреје да сагоре материјале и произведе довољно гаса да пукне кућиште батерије.Топлота коју стварају бројни кратки спојеви полако загрева батерију и након неког времена експлодира.Уобичајени опис потрошача је да су подигли телефон и открили да је веома врућ, а затим га бацили и експлодирао.На основу горе наведених врста експлозије, можемо се фокусирати на превенцију прекомерног пуњења, спречавање спољашњег кратког споја и побољшање сигурности ћелије.Међу њима, спречавање прекомерног пуњења и екстерног кратког споја спада у електронску заштиту, која је у великој мери повезана са дизајном батеријског система и батеријског пакета.Кључна тачка побољшања безбедности ћелија је хемијска и механичка заштита, која има одличан однос са произвођачима ћелија.
Сигурно скривене невоље
Безбедност литијум-јонске батерије није повезана само са природом самог материјала ћелије, већ и са технологијом припреме и употребом батерије.Батерије мобилних телефона често експлодирају, с једне стране, због квара заштитног кола, али што је још важније, материјални аспект није суштински решио проблем.
Активни материјал литијум катоде кобалтне киселине је веома зрео систем у малим батеријама, али након пуног пуњења, још увек има пуно литијум јона на аноди, када се очекује да ће пренапуњеност, преостали у аноди литијум јона, стићи на аноду , формира се на дендриту катоде, а користи се последица прекомерног пуњења литијумске батерије кобалтне киселине, чак иу нормалном процесу пуњења и пражњења, такође може бити вишак литијумових јона слободних на негативној електроди да формирају дендрите.Теоретска специфична енергија литијум кобалатног материјала је више од 270 мах/г, али стварни капацитет је само половина теоретског капацитета да би се осигурале његове перформансе циклуса.У процесу употребе, због неког разлога (као што је оштећење система управљања) и превисок напон пуњења батерије, преостали део литијума у позитивној електроди ће бити уклоњен, преко електролита до површине негативне електроде у облик таложења литијум метала да би се формирали дендрити.Дендрити пробијају дијафрагму, стварајући унутрашњи кратки спој.
Главна компонента електролита је карбонат, који има ниску тачку паљења и ниску тачку кључања.Под одређеним условима ће изгорети или чак експлодирати.Ако се батерија прегреје, то ће довести до оксидације и редукције карбоната у електролиту, што ће резултирати много гаса и више топлоте.Ако нема сигурносног вентила или се гас не испушта кроз сигурносни вентил, унутрашњи притисак батерије ће нагло порасти и изазвати експлозију.
Полимерни електролит литијум-јонска батерија не решава суштински проблем безбедности, користе се и литијум-кобалтна киселина и органски електролит, а електролит је колоидан, није лако цурити, доћи ће до снажнијег сагоревања, сагоревање је највећи проблем безбедности полимерне батерије.
Постоје и проблеми са коришћењем батерије.Спољни или унутрашњи кратки спој може произвести неколико стотина ампера прекомерне струје.Када дође до спољашњег кратког споја, батерија тренутно испразни велику струју, трошећи велику количину енергије и стварајући огромну топлоту на унутрашњем отпору.Унутрашњи кратки спој ствара велику струју, а температура расте, узрокујући топљење дијафрагме и ширење подручја кратког споја, формирајући тако зачарани круг.
Литијум-јонска батерија да би се постигла једна ћелија од 3 ~ 4,2В високог радног напона, мора да узме разлагање напона већег од 2В органског електролита, а употреба органског електролита у условима високе струје, високе температуре ће бити електролизована, електролитичка гас, што доводи до повећаног унутрашњег притиска, озбиљно ће пробити шкољку.
Прекомерно пуњење може да исталожи метални литијум, у случају пуцања шкољке, директног контакта са ваздухом, што доводи до сагоревања, истовремено паљења електролита, јаког пламена, брзог ширења гаса, експлозије.
Поред тога, за мобилни телефон литијум-јонска батерија, због неправилне употребе, као што је екструзија, удар и узимање воде доводе до проширења батерије, деформације и пуцања итд., Што ће довести до кратког споја батерије, у процесу пражњења или пуњења изазваног топлотном експлозијом.
Безбедност литијумских батерија:
Да би се избегло прекомерно пражњење или прекомерно пуњење изазвано неправилном употребом, троструки заштитни механизам је постављен у једну литијум-јонску батерију.Један је употреба склопних елемената, када температура батерије порасте, њен отпор ће порасти, када је температура превисока, аутоматски ће зауставити напајање;Други је да изаберете одговарајући материјал за преграду, када температура порасте на одређену вредност, микронске поре на прегради ће се аутоматски растворити, тако да литијум јони не могу да прођу, унутрашња реакција батерије се зауставља;Треће је постављање сигурносног вентила (то јест, отвор за вентилацију на врху батерије).Када унутрашњи притисак батерије порасте на одређену вредност, сигурносни вентил ће се аутоматски отворити како би се осигурала сигурност батерије.
Понекад, иако сама батерија има безбедносне мере контроле, али због неких разлога узрокованих кваром контроле, недостатак сигурносног вентила или гаса нема времена да се ослободи кроз сигурносни вентил, унутрашњи притисак батерије ће нагло порасти и изазвати експлозија.Генерално, укупна енергија ускладиштена у литијум-јонским батеријама је обрнуто пропорционална њиховој безбедности.Како се капацитет батерије повећава, запремина батерије се такође повећава, а њен учинак одвођења топлоте се погоршава, а могућност несрећа ће се знатно повећати.За литијум-јонске батерије које се користе у мобилним телефонима, основни захтев је да вероватноћа безбедносних незгода буде мања од један према милион, што је уједно и минимални стандард прихватљив за јавност.За литијум-јонске батерије великог капацитета, посебно за аутомобиле, веома је важно усвојити принудно одвођење топлоте.
Одабир сигурнијих електродних материјала, материјала од литијум-манган оксида, у смислу молекуларне структуре како би се осигурало да су литијум-јони у позитивној електроди у потпуности уграђени у негативну угљеничну рупу, у основи избегавају стварање дендрита.У исто време, стабилна структура литијум-манганске киселине, тако да су њене оксидационе перформансе далеко ниже од литијум-кобалтне киселине, температура распадања литијум-кобалтне киселине већа од 100℃, чак и због спољашњег спољашњег кратког споја (игла), спољашњег кратак спој, прекомерно пуњење, такође може у потпуности избећи опасност од сагоревања и експлозије изазване исталоженим металом литијума.
Поред тога, употреба материјала литијум манганата такође може значајно смањити трошкове.
Да бисмо побољшали перформансе постојеће технологије контроле безбедности, прво морамо побољшати безбедносне перформансе језгра литијум-јонске батерије, што је посебно важно за батерије великог капацитета.Изаберите дијафрагму са добрим термичким перформансама затварања.Улога дијафрагме је да изолује позитивне и негативне полове батерије док омогућава пролаз литијум јонима.Када температура порасте, мембрана се затвара пре него што се топи, подижући унутрашњи отпор на 2.000 ома и гасећи унутрашњу реакцију.Када унутрашњи притисак или температура достигне унапред постављени стандард, вентил отпоран на експлозију ће се отворити и почети да ослобађа притисак како би се спречило прекомерно накупљање унутрашњег гаса, деформације и на крају довеле до пуцања шкољке.Побољшајте осетљивост контроле, изаберите осетљивије контролне параметре и усвојите комбиновану контролу више параметара (што је посебно важно за батерије великог капацитета).За литијум-јонске батерије великог капацитета је серија/паралелна вишећелијска композиција, као што је напон преносног рачунара већи од 10В, велики капацитет, генерално коришћење 3 до 4 појединачне серије батерија може задовољити захтеве напона, а затим 2 до 3 серије батерија паралелно, како би се обезбедио велики капацитет.
Сама батерија великог капацитета мора бити опремљена са релативно савршеном заштитном функцијом, а такође треба узети у обзир две врсте модула штампаних плоча: модул ПротецтионБоардПЦБ и модул СмартБаттериГаугеБоард.Целокупан дизајн заштите батерије укључује: заштитни ИЦ нивоа 1 (спречавање прекомерног пуњења батерије, прекомерног пражњења, кратког споја), заштитни ИЦ нивоа 2 (спречавање другог пренапона), осигурач, ЛЕД индикатор, регулацију температуре и друге компоненте.Под вишеслојним заштитним механизмом, чак и у случају ненормалног напајања пуњача и лаптопа, батерија лаптопа се може пребацити само у стање аутоматске заштите.Ако ситуација није озбиљна, често ради нормално након што се прикључи и уклони без експлозије.
Основна технологија која се користи у литијум-јонским батеријама које се користе у лаптоповима и мобилним телефонима није безбедна и потребно је размотрити сигурније структуре.
У закључку, са напретком технологије материјала и продубљивањем разумевања људи о захтевима за пројектовање, производњу, тестирање и употребу литијум-јонских батерија, будућност литијум-јонских батерија ће постати сигурнија.
Време поста: мар-07-2022