Литиевите батерии са най-бързо развиващата се система от батерии през последните 20 години и се използват широко в електронни продукти. Скорошната експлозия на мобилни телефони и лаптопи е по същество експлозия на батерии. Как изглеждат батериите за мобилни телефони и лаптопи, как работят, защо експлодират и как да ги избегнем.
Страничните ефекти започват да се появяват, когато литиевата клетка е презаредена до напрежение, по-високо от 4,2 V. Колкото по-високо е налягането на презареждане, толкова по-голям е рискът. При напрежения, по-високи от 4,2 V, когато по-малко от половината литиеви атоми са останали в катодния материал, клетката за съхранение често се срива, причинявайки постоянно намаляване на капацитета на батерията. Ако зареждането продължи, следващите литиеви метали ще се натрупат на повърхността на катодния материал, тъй като клетката за съхранение на катода вече е пълна с литиеви атоми. Тези литиеви атоми израстват дендритни кристали от повърхността на катода по посока на литиевите йони. Литиевите кристали ще преминат през хартията на диафрагмата, окъсявайки анода и катода. Понякога батерията избухва преди да е възникнало късо съединение. Това е така, защото по време на процеса на презареждане материали като електролити се напукват, за да произведат газ, който кара корпуса на батерията или клапана за налягане да се надуе и спука, което позволява на кислорода да реагира с литиевите атоми, натрупани на повърхността на отрицателния електрод, и да избухне.
Следователно, когато зареждате литиева батерия, е необходимо да зададете горната граница на напрежението, за да вземете предвид живота на батерията, капацитета и безопасността. Идеалната горна граница на напрежението на зареждане е 4,2 V. Трябва да има и по-ниска граница на напрежението, когато литиевите клетки се разреждат. Когато напрежението на клетката падне под 2,4 V, част от материала започва да се разпада. И тъй като батерията ще се саморазрежда, поставете по-дълго напрежението ще бъде по-ниско, следователно, най-добре е да не разреждате 2,4 V, за да спрете. От 3,0 V до 2,4 V, литиевите батерии освобождават само около 3% от капацитета си. Следователно 3,0 V е идеалното напрежение на прекъсване на разряда. При зареждане и разреждане, освен ограничението на напрежението, е необходимо и ограничението на тока. Когато токът е твърде висок, литиевите йони нямат време да влязат в клетката за съхранение, ще се натрупат на повърхността на материала.
Тъй като тези йони получават електрони, те кристализират литиеви атоми на повърхността на материала, което може да бъде толкова опасно, колкото и презареждането. Ако кутията на батерията се счупи, тя ще експлодира. Следователно защитата на литиево-йонната батерия трябва да включва поне горната граница на напрежението на зареждане, долната граница на напрежението на разреждане и горната граница на тока. Като цяло, в допълнение към ядрото на литиевата батерия, ще има защитна плоча, която основно ще осигури тези три защити. Въпреки това, защитната плоча на тези три защити очевидно не е достатъчна, глобалните събития на експлозия на литиева батерия или чести. За да се гарантира безопасността на акумулаторните системи, е необходим по-внимателен анализ на причината за експлозиите на батериите.
Причина за експлозията:
1. Голяма вътрешна поляризация;
2. Полюсът абсорбира вода и реагира с електролитния газов барабан;
3. Качеството и производителността на самия електролит;
4. Количеството инжектирана течност не може да отговори на изискванията на процеса;
5. Ефективността на уплътнението при лазерно заваряване е лоша в процеса на подготовка и се открива изтичане на въздух.
6. Прахът и прахът от полюсите лесно могат първо да причинят микрокъсо съединение;
7.Положителна и отрицателна плоча, по-дебела от обхвата на процеса, трудна за обвивка;
8. Проблем с уплътняването на инжектирането на течност, лошото уплътняване на стоманената топка води до газов барабан;
9. Стената на входящия материал на черупката е твърде дебела, деформацията на черупката влияе върху дебелината;
10. Високата околна температура навън също е основната причина за експлозията.
Тип експлозия
Анализ на типа експлозия Типовете експлозия на ядрото на батерията могат да бъдат класифицирани като външно късо съединение, вътрешно късо съединение и презареждане. Външното тук се отнася до външната страна на клетката, включително късото съединение, причинено от лошия изолационен дизайн на вътрешния пакет батерии. Когато възникне късо съединение извън клетката и електронните компоненти не успеят да прекъснат веригата, клетката ще генерира висока топлина вътре, което ще доведе до изпаряване на част от електролита, черупката на батерията. Когато вътрешната температура на батерията е висока до 135 градуса по Целзий, диафрагмената хартия с добро качество ще затвори финия отвор, електрохимичната реакция е прекратена или почти прекратена, токът пада и температурата също пада бавно, като по този начин се избягва експлозията . Но диафрагмена хартия със слаба скорост на затваряне или такава, която изобщо не се затваря, ще поддържа батерията топла, ще изпари повече електролит и в крайна сметка ще спука корпуса на батерията или дори ще повиши температурата на батерията до точката, в която материалът ще изгори и експлодира. Вътрешното късо съединение се причинява главно от стърготини от медно фолио и алуминиево фолио, пробиващи диафрагмата, или от дендритни кристали на литиеви атоми, пробиващи диафрагмата.
Тези малки, подобни на игла метали могат да причинят микрокъсо съединение. Тъй като иглата е много тънка и има определена стойност на съпротивление, токът не е непременно много голям. Неравностите на медното алуминиево фолио се получават в производствения процес. Наблюдаваното явление е, че батерията изтича твърде бързо и повечето от тях могат да бъдат проверени от фабрики за клетки или монтажни предприятия. И тъй като неравностите са малки, те понякога изгарят, връщайки батерията към нормалното. Поради това вероятността от експлозия, причинена от микро късо съединение на брус, не е висока. Такъв изглед често може да се зарежда от вътрешността на всяка клетъчна фабрика, напрежението на ниската лоша батерия, но рядко експлозия, получава статистическа подкрепа. Следователно експлозията, причинена от вътрешно късо съединение, се причинява главно от презареждане. Тъй като има иглоподобни литиево-метални кристали навсякъде по свръхзаредения заден електроден лист, точките на пробиване са навсякъде и микро-късо съединение възниква навсякъде. Следователно температурата на клетката постепенно ще се повиши и накрая високата температура ще доведе до електролитен газ. Тази ситуация, независимо дали температурата е твърде висока, за да направи експлозията на изгаряне на материала, или черупката е била първо счупена, така че въздухът в нея и литиевото метално ожесточено окисляване, са краят на експлозията.
Но такава експлозия, причинена от вътрешно късо съединение, причинено от презареждане, не е задължително да се случи по време на зареждане. Възможно е потребителите да спрат зареждането и да извадят телефоните си, преди батерията да е достатъчно гореща, за да изгори материали и да произведе достатъчно газ, за да се спука корпусът на батерията. Топлината, генерирана от многобройните къси съединения, бавно загрява батерията и след известно време експлодира. Обичайното описание на потребителите е, че са вдигнали телефона и са открили, че е много горещ, след което са го изхвърлили и е избухнал. Въз основа на горните видове експлозия, можем да се съсредоточим върху предотвратяването на презареждане, предотвратяването на външно късо съединение и да подобрим безопасността на клетката. Сред тях предотвратяването на презареждане и външно късо съединение принадлежи към електронната защита, която е в голяма степен свързана с дизайна на акумулаторната система и батерийния пакет. Ключовият момент за подобряване на безопасността на клетките е химическата и механична защита, която има страхотни отношения с производителите на клетки.
Безопасни скрити проблеми
Безопасността на литиево-йонната батерия е свързана не само с естеството на самия клетъчен материал, но и с технологията на приготвяне и употребата на батерията. Батериите на мобилните телефони често експлодират, от една страна, поради повреда на защитната верига, но по-важното е, че материалният аспект не е решил фундаментално проблема.
Активният материал с литиев катод с кобалтова киселина е много зряла система в малки батерии, но след пълно зареждане все още има много литиеви йони на анода, когато се презареди, оставащите в анода литиеви йони се очаква да се стекат към анода , се формира върху катодния дендрит, използва кобалтово-киселинна литиева батерия, следствие от презареждане, дори при нормалния процес на зареждане и разреждане, може също да има излишни литиеви йони, свободни към отрицателния електрод, за да образуват дендрити. Теоретичната специфична енергия на литиево-кобалатния материал е повече от 270 mah/g, но действителният капацитет е само половината от теоретичния капацитет, за да се гарантира неговата циклична производителност. В процеса на използване, поради някаква причина (като повреда на системата за управление) и напрежението на зареждане на батерията е твърде високо, останалата част от литий в положителния електрод ще бъде отстранена през електролита към повърхността на отрицателния електрод в формата на отлагане на метален литий за образуване на дендрити. Дендрити Пробиват диафрагмата, създавайки вътрешно късо съединение.
Основният компонент на електролита е карбонат, който има ниска точка на запалване и ниска точка на кипене. Той ще изгори или дори ще експлодира при определени условия. Ако батерията прегрее, това ще доведе до окисление и намаляване на карбоната в електролита, което ще доведе до много газ и повече топлина. Ако няма предпазен клапан или газът не се изпусне през предпазния клапан, вътрешното налягане на батерията ще се повиши рязко и ще предизвика експлозия.
Литиево-йонната батерия с полимерен електролит не решава фундаментално проблема с безопасността, използват се също литиево-кобалтова киселина и органичен електролит, а електролитът е колоиден, не е лесен за изтичане, ще настъпи по-силно изгаряне, изгарянето е най-големият проблем на безопасността на полимерната батерия.
Има и някои проблеми с използването на батерията. Външно или вътрешно късо съединение може да произведе няколкостотин ампера прекомерен ток. Когато възникне външно късо съединение, батерията незабавно се разрежда с голям ток, консумирайки голямо количество енергия и генерирайки огромна топлина във вътрешното съпротивление. Вътрешното късо съединение образува голям ток и температурата се повишава, което води до стопяване на диафрагмата и разширяване на зоната на късо съединение, като по този начин се образува порочен кръг.
Литиево-йонна батерия, за да се постигне високо работно напрежение на една клетка 3 ~ 4,2 V, трябва да вземе разлагането на напрежението е по-голямо от 2 V органичен електролит и използването на органичен електролит при висок ток, условия на висока температура ще бъде електролизиран, електролитен газ, което води до повишено вътрешно налягане, сериозно ще пробие черупката.
Презареждането може да утаи метален литий, в случай на разкъсване на обвивката, директен контакт с въздух, което води до изгаряне, в същото време запалване на електролит, силен пламък, бързо разширяване на газ, експлозия.
В допълнение, за литиево-йонна батерия за мобилен телефон, поради неправилна употреба, като екструдиране, удар и прием на вода, водят до разширяване на батерията, деформация и напукване и т.н., което ще доведе до късо съединение на батерията, в процеса на разреждане или зареждане, причинено чрез топлинна експлозия.
Безопасност на литиеви батерии:
За да се избегне прекомерно разреждане или презареждане, причинено от неправилна употреба, в единична литиево-йонна батерия е настроен троен защитен механизъм. Единият е използването на превключващи елементи, когато температурата на батерията се повиши, нейното съпротивление ще се повиши, когато температурата е твърде висока, автоматично ще спре захранването; Второто е да изберете подходящия материал за преграда, когато температурата се повиши до определена стойност, микронните пори на преградата автоматично ще се разтворят, така че литиевите йони да не могат да преминат, вътрешната реакция на батерията спира; Третият е да настроите предпазния клапан (т.е. вентилационния отвор в горната част на батерията). Когато вътрешното налягане на батерията се повиши до определена стойност, предпазният клапан ще се отвори автоматично, за да се гарантира безопасността на батерията.
Понякога, въпреки че самата батерия има мерки за контрол на безопасността, но поради някои причини, причинени от повреда в управлението, липсата на предпазен клапан или газът няма време да се освободи през предпазния клапан, вътрешното налягане на батерията ще се повиши рязко и ще причини експлозия. Като цяло общата енергия, съхранявана в литиево-йонните батерии, е обратно пропорционална на тяхната безопасност. С увеличаването на капацитета на батерията обемът на батерията също се увеличава и нейните характеристики на разсейване на топлината се влошават и възможността от злополуки ще се увеличи значително. За литиево-йонните батерии, използвани в мобилните телефони, основното изискване е вероятността от злополуки, свързани с безопасността, да бъде по-малка от едно на милион, което също е минималният стандарт, приемлив за обществеността. За литиево-йонни батерии с голям капацитет, особено за автомобили, е много важно да се приеме принудително разсейване на топлината.
Изборът на по-безопасни електродни материали, литиево-манганов оксиден материал, по отношение на молекулярната структура, за да се гарантира, че в състояние на пълен заряд литиевите йони в положителния електрод са напълно вградени в отрицателната въглеродна дупка, фундаментално избягва генерирането на дендрити. В същото време, стабилната структура на литиево-манганова киселина, така че нейната ефективност на окисление е много по-ниска от литиево-кобалтовата киселина, температурата на разлагане на литиево-кобалтовата киселина над 100 ℃, дори поради външно външно късо съединение (игла), външен късо съединение, презареждане, също може напълно да избегне опасността от изгаряне и експлозия, причинена от утаен литиев метал.
В допълнение, използването на материал от литиев манганат също може значително да намали разходите.
За да подобрим ефективността на съществуващата технология за контрол на безопасността, първо трябва да подобрим ефективността на безопасността на ядрото на литиево-йонната батерия, което е особено важно за батерии с голям капацитет. Изберете диафрагма с добро термично затваряне. Ролята на диафрагмата е да изолира положителните и отрицателните полюси на батерията, като същевременно позволява преминаването на литиеви йони. Когато температурата се повиши, мембраната се затваря, преди да се разтопи, повишавайки вътрешното съпротивление до 2000 ома и спирайки вътрешната реакция. Когато вътрешното налягане или температура достигне предварително зададения стандарт, взривобезопасният клапан ще се отвори и ще започне да освобождава налягането, за да предотврати прекомерно натрупване на вътрешен газ, деформация и в крайна сметка да доведе до спукване на корпуса. Подобрете чувствителността на контрола, изберете по-чувствителни контролни параметри и приемете комбинирано управление на множество параметри (което е особено важно за батерии с голям капацитет). За голям капацитет литиево-йонна батерия е сериен/паралелен състав от множество клетки, като напрежението на преносимия компютър е повече от 10V, голям капацитет, като цяло използването на 3 до 4 единични серии батерии може да отговори на изискванията за напрежение и след това 2 до 3 серии от паралелен комплект батерии, за да се осигури голям капацитет.
Самият батериен пакет с голям капацитет трябва да бъде снабден с относително перфектна защитна функция и трябва да се имат предвид и два вида модули на печатни платки: модул ProtectIonBoardPCB и модул SmartBatteryGaugeBoard. Целият дизайн за защита на батерията включва: IC за защита от ниво 1 (предотвратяване на презареждане на батерията, преразреждане, късо съединение), IC за защита от ниво 2 (предотвратяване на второ пренапрежение), предпазител, LED индикатор, регулиране на температурата и други компоненти. Съгласно механизма за многостепенна защита, дори в случай на ненормално захранване на зарядното устройство и лаптопа, батерията на лаптопа може да бъде превключена само в състояние на автоматична защита. Ако ситуацията не е сериозна, често работи нормално след запушване и отстраняване без експлозия.
Основната технология, използвана в литиево-йонните батерии, използвани в лаптопи и мобилни телефони, не е безопасна и трябва да се обмислят по-безопасни структури.
В заключение, с напредъка на материалната технология и задълбочаването на разбирането на хората за изискванията за проектиране, производство, тестване и използване на литиево-йонни батерии, бъдещето на литиево-йонните батерии ще стане по-безопасно.
Време на публикуване: 7 март 2022 г