Bateriile cu litiu sunt sistemul de baterii cu cea mai rapidă creștere din ultimii 20 de ani și sunt utilizate pe scară largă în produsele electronice.Recentea explozie a telefoanelor mobile și a laptopurilor este în esență o explozie a bateriei.Cum arată bateriile de telefon mobil și laptop, cum funcționează, de ce explodează și cum să le eviți.
Efectele secundare încep să apară atunci când celula cu litiu este supraîncărcată la o tensiune mai mare de 4,2 V.Cu cât presiunea de supraîncărcare este mai mare, cu atât riscul este mai mare.La tensiuni mai mari de 4,2 V, când mai puțin de jumătate din atomii de litiu sunt lăsați în materialul catodului, celula de stocare se prăbușește adesea, provocând o scădere permanentă a capacității bateriei.Dacă încărcarea continuă, metalele de litiu ulterioare se vor îngrămădi pe suprafața materialului catodului, deoarece celula de stocare a catodului este deja plină de atomi de litiu.Acești atomi de litiu cresc cristale dendritice de pe suprafața catodului în direcția ionilor de litiu.Cristalele de litiu vor trece prin hârtia cu diafragmă, scurtând anodul și catodul.Uneori, bateria explodează înainte de a avea loc un scurtcircuit.Acest lucru se datorează faptului că, în timpul procesului de supraîncărcare, materiale precum electroliții crapă pentru a produce gaz care determină umflarea și spargerea carcasei bateriei sau a supapei de presiune, permițând oxigenului să reacționeze cu atomii de litiu acumulați pe suprafața electrodului negativ și să explodeze.
Prin urmare, la încărcarea bateriei cu litiu, este necesar să setați limita superioară a tensiunii, pentru a ține cont de durata, capacitatea și siguranța bateriei.Limita superioară a tensiunii de încărcare ideală este de 4,2 V.De asemenea, ar trebui să existe o limită de tensiune inferioară atunci când celulele cu litiu se descarcă.Când tensiunea celulei scade sub 2,4 V, o parte din material începe să se descompună.Și pentru că bateria se va auto-descărca, puneți cu cât tensiunea va fi mai mică, prin urmare, cel mai bine este să nu descărcați 2,4V pentru a opri.De la 3,0 V la 2,4 V, bateriile cu litiu eliberează doar aproximativ 3% din capacitatea lor.Prin urmare, 3,0 V este o tensiune ideală de întrerupere a descărcarii.La încărcare și descărcare, pe lângă limita de tensiune, este necesară și limita de curent.Când curentul este prea mare, ionii de litiu nu au timp să intre în celula de stocare, se vor acumula pe suprafața materialului.
Pe măsură ce acești ioni câștigă electroni, ei cristalizează atomi de litiu pe suprafața materialului, ceea ce poate fi la fel de periculos ca supraîncărcarea.Dacă carcasa bateriei se rupe, aceasta va exploda.Prin urmare, protecția bateriei cu ioni de litiu ar trebui să includă cel puțin limita superioară a tensiunii de încărcare, limita inferioară a tensiunii de descărcare și limita superioară a curentului.În general, pe lângă miezul bateriei cu litiu, va exista o placă de protecție, care este în principal pentru a oferi aceste trei protecție.Cu toate acestea, placa de protecție a acestor trei protecție nu este, evident, suficientă, evenimentele globale de explozie a bateriei cu litiu sau frecvente.Pentru a asigura siguranța sistemelor de baterii, este necesară o analiză mai atentă a cauzei exploziilor bateriilor.
Cauza exploziei:
1. Polarizare internă mare;
2.Piesa polară absoarbe apa și reacționează cu tamburul de gaz electrolit;
3.Calitatea și performanța electrolitului în sine;
4. Cantitatea de lichid injectat nu poate îndeplini cerințele procesului;
5. Performanța sigiliului de sudare cu laser este slabă în procesul de pregătire, iar scurgerea de aer este detectată.
6. Praful și praful din piesele polare sunt ușor de provocat mai întâi microscurtcircuit;
7.Placă pozitivă și negativă mai groasă decât intervalul de proces, greu de scos;
8. Problema de etanșare a injecției de lichid, performanța slabă de etanșare a bilei de oțel duce la tamburul de gaz;
9.Peretele de înveliș din materialul de intrare al carcasei este prea gros, deformarea carcasei afectează grosimea;
10. Temperatura ridicată a mediului exterior este, de asemenea, principala cauză a exploziei.
Tipul de explozie
Analiza tipului de explozie Tipurile de explozie a miezului bateriei pot fi clasificate ca scurtcircuit extern, scurtcircuit intern și supraîncărcare.Externul se referă aici la exteriorul celulei, inclusiv la scurtcircuitul cauzat de designul slab izolator al acumulatorului intern.Când apare un scurtcircuit în afara celulei și componentele electronice nu reușesc să întrerupă bucla, celula va genera căldură ridicată în interior, determinând vaporizarea unei părți din electrolit, carcasa bateriei.Când temperatura internă a bateriei este ridicată până la 135 de grade Celsius, hârtia cu diafragmă de bună calitate va închide gaura fină, reacția electrochimică este încheiată sau aproape terminată, curentul scade și temperatura scade lent, evitând astfel explozia. .Dar o hârtie cu diafragmă cu o viteză de închidere slabă, sau una care nu se închide deloc, va menține bateria caldă, va vaporiza mai mult electrolit și, în cele din urmă, va sparge carcasa bateriei sau chiar va ridica temperatura bateriei până la punctul în care materialul arde. și explodează.Scurtcircuitul intern este cauzat în principal de bavurile foliei de cupru și ale foliei de aluminiu care străpunge diafragma sau de cristalele dendritice ale atomilor de litiu care străpunge diafragma.
Aceste metale minuscule, asemănătoare acului, pot provoca microscurtcircuite.Deoarece acul este foarte subțire și are o anumită valoare a rezistenței, curentul nu este neapărat foarte mare.Bavurile foliei de cupru aluminiu sunt cauzate în procesul de producție.Fenomenul observat este că bateria se scurge prea repede, iar cele mai multe dintre ele pot fi eliminate de fabrici de celule sau fabrici de asamblare.Și pentru că bavurile sunt mici, uneori se ard, făcând bateria să revină la normal.Prin urmare, probabilitatea de explozie cauzată de micro-scurtcircuit bavuri nu este mare.O astfel de vedere, se poate încărca de multe ori din interiorul fiecărei fabrici de celule, tensiunea pe baterie slabă, dar rareori explozie, obține suport statistic.Prin urmare, explozia cauzată de scurtcircuit intern este cauzată în principal de supraîncărcare.Deoarece există cristale metalice de litiu asemănătoare unui ac peste tot pe foaia electrodului din spate supraîncărcat, punctele de perforare sunt peste tot, iar micro-scurtcircuit are loc peste tot.Prin urmare, temperatura celulei va crește treptat și, în cele din urmă, temperatura ridicată va electrolita gazul.Această situație, indiferent dacă temperatura este prea ridicată pentru a face explozia de combustie a materialului, sau carcasa a fost ruptă pentru prima dată, astfel încât aerul în interior și oxidarea acerbă a metalului litiu, sunt sfârșitul exploziei.
Dar o astfel de explozie, cauzată de un scurtcircuit intern cauzat de supraîncărcare, nu are loc neapărat în momentul încărcării.Este posibil ca consumatorii să înceteze încărcarea și să-și scoată telefoanele înainte ca bateria să fie suficient de fierbinte pentru a arde materialele și a produce suficient gaz pentru a sparge carcasa bateriei.Căldura generată de numeroasele scurtcircuite încălzește încet bateria și, după ceva timp, explodează.Descrierea comună a consumatorilor este că au luat telefonul și au constatat că era foarte fierbinte, apoi l-au aruncat și au explodat.Pe baza tipurilor de explozie de mai sus, ne putem concentra pe prevenirea supraîncărcării, prevenirea scurtcircuitului extern și îmbunătățirea siguranței celulei.Printre acestea, prevenirea supraîncărcării și a scurtcircuitului extern aparține protecției electronice, care este în mare măsură legată de proiectarea sistemului de baterii și a pachetului de baterii.Punctul cheie al îmbunătățirii siguranței celulelor este protecția chimică și mecanică, care are o relație excelentă cu producătorii de celule.
Probleme ascunse în siguranță
Siguranța bateriei litiu-ion nu este legată doar de natura materialului celulei în sine, ci și de tehnologia de pregătire și de utilizarea bateriei.Bateriile telefoanelor mobile explodează frecvent, pe de o parte, din cauza defecțiunii circuitului de protecție, dar, mai important, aspectul material nu a rezolvat în mod fundamental problema.
Materialul activ al catodului de litiu cu acid cobalt este un sistem foarte matur în bateriile mici, dar după o încărcare completă, există încă o mulțime de ioni de litiu la anod, atunci când supraîncărcarea, rămânând în anodul ionului de litiu se așteaptă să se adună la anod , se formează pe dendrita catodului folosește corolarul de supraîncărcare a bateriei cu acid cobalt litiu, chiar și în procesul normal de încărcare și descărcare, poate exista, de asemenea, exces de ioni de litiu liberi către electrodul negativ pentru a forma dendrite.Energia specifică teoretică a materialului de cobalat de litiu este mai mare de 270 mah/g, dar capacitatea reală este doar jumătate din capacitatea teoretică de a asigura performanța sa de ciclism.În procesul de utilizare, din anumite motive (cum ar fi deteriorarea sistemului de management) și tensiunea de încărcare a bateriei este prea mare, partea rămasă de litiu din electrodul pozitiv va fi îndepărtată, prin electrolit la suprafața electrodului negativ din forma de depunere de litiu metalic pentru a forma dendrite.Dendritele Perforează diafragma, creând un scurtcircuit intern.
Componenta principală a electrolitului este carbonatul, care are un punct de aprindere scăzut și un punct de fierbere scăzut.Va arde sau chiar va exploda în anumite condiții.Dacă bateria se supraîncălzi, va duce la oxidarea și reducerea carbonatului din electrolit, rezultând mult gaz și mai multă căldură.Dacă nu există supapă de siguranță sau gazul nu este eliberat prin supapa de siguranță, presiunea internă a bateriei va crește brusc și va provoca o explozie.
Bateria litiu-ion cu electrolit polimer nu rezolvă în mod fundamental problema de siguranță, acidul litiu-cobalt și electrolitul organic sunt de asemenea utilizate, iar electrolitul este coloidal, nu se scurge ușor, va avea loc o ardere mai violentă, arderea este cea mai mare problemă a siguranței bateriei polimer.
Există, de asemenea, unele probleme cu utilizarea bateriei.Un scurtcircuit extern sau intern poate produce câteva sute de amperi de curent excesiv.Când apare un scurtcircuit extern, bateria descarcă instantaneu un curent mare, consumând o cantitate mare de energie și generând căldură uriașă pe rezistența internă.Scurtcircuitul intern formează un curent mare, iar temperatura crește, determinând topirea diafragmei și extinderea zonei de scurtcircuit, formând astfel un cerc vicios.
Baterie litiu-ion pentru a obține o singură celulă 3 ~ 4,2 V tensiune de lucru ridicată, trebuie să ia descompunerea tensiunii este mai mare de 2 V electrolit organic, iar utilizarea electrolitului organic în condiții de curent ridicat, temperatură ridicată va fi electrolizată, electrolitică gaz, rezultând o presiune internă crescută, se va sparge grav prin carcasă.
Supraîncărcarea poate precipita litiu metalic, în cazul ruperii carcasei, contact direct cu aerul, ducând la ardere, în același timp electrolit de aprindere, flacără puternică, expansiune rapidă a gazului, explozie.
În plus, pentru bateria litiu-ion pentru telefonul mobil, din cauza utilizării necorespunzătoare, cum ar fi extrudarea, impactul și aportul de apă duc la extinderea bateriei, deformarea și crăparea, etc., ceea ce va duce la scurtcircuit al bateriei, în procesul de descărcare sau încărcare cauzat. prin explozie termică.
Siguranța bateriilor cu litiu:
Pentru a evita supradescărcarea sau supraîncărcarea cauzate de o utilizare necorespunzătoare, mecanismul de protecție triplă este setat într-o baterie cu litiu-ion.Una este utilizarea elementelor de comutare, când temperatura bateriei crește, rezistența acesteia va crește, când temperatura este prea mare, va opri automat alimentarea cu energie;Al doilea este să alegeți materialul de despărțire adecvat, când temperatura crește la o anumită valoare, porii microni de pe partiție se vor dizolva automat, astfel încât ionii de litiu să nu poată trece, reacția internă a bateriei se oprește;Al treilea este să instalați supapa de siguranță (adică orificiul de aerisire din partea superioară a bateriei).Când presiunea internă a bateriei crește la o anumită valoare, supapa de siguranță se va deschide automat pentru a asigura siguranța bateriei.
Uneori, deși bateria în sine are măsuri de control de siguranță, dar din cauza unor motive cauzate de defecțiunea controlului, lipsa supapei de siguranță sau a gazului nu are timp să se elibereze prin supapa de siguranță, presiunea internă a bateriei va crește brusc și va cauza o explozie.În general, energia totală stocată în bateriile litiu-ion este invers proporțională cu siguranța acestora.Pe măsură ce capacitatea bateriei crește, crește și volumul bateriei, iar performanța sa de disipare a căldurii se deteriorează, iar posibilitatea de accidente va crește foarte mult.Pentru bateriile litiu-ion utilizate în telefoanele mobile, cerința de bază este ca probabilitatea de accidente de siguranță să fie mai mică de unu la un milion, care este și standardul minim acceptabil de public.Pentru bateriile litiu-ion de mare capacitate, în special pentru automobile, este foarte important să se adopte disiparea forțată a căldurii.
Selectarea unor materiale mai sigure pentru electrozi, material oxid de litiu mangan, în ceea ce privește structura moleculară, pentru a se asigura că, în stare de încărcare completă, ionii de litiu din electrodul pozitiv au fost complet încorporați în gaura negativă de carbon, evitând în mod fundamental generarea de dendrite.În același timp, structura stabilă a acidului litiu-mangan, astfel încât performanța sa de oxidare este mult mai mică decât acidul litiu-cobalt, temperatura de descompunere a acidului litiu-cobalt mai mult de 100 ℃, chiar și din cauza scurt-circuitului extern extern (acu), extern scurtcircuit, supraîncărcare, de asemenea, poate evita complet pericolul de ardere și explozie cauzat de litiu metalic precipitat.
În plus, utilizarea materialului de manganat de litiu poate reduce foarte mult costul.
Pentru a îmbunătăți performanța tehnologiei existente de control al siguranței, trebuie mai întâi să îmbunătățim performanța de siguranță a miezului bateriei litiu-ion, care este deosebit de important pentru bateriile de mare capacitate.Alegeți o diafragmă cu performanțe bune de închidere termică.Rolul diafragmei este de a izola polii pozitivi și negativi ai bateriei, permițând în același timp trecerea ionilor de litiu.Când temperatura crește, membrana este închisă înainte de a se topi, ridicând rezistența internă la 2.000 ohmi și oprind reacția internă.Când presiunea sau temperatura internă atinge standardul prestabilit, supapa anti-explozie se va deschide și va începe să elibereze presiunea pentru a preveni acumularea excesivă de gaz intern, deformarea și, în cele din urmă, să conducă la spargerea carcasei.Îmbunătățiți sensibilitatea controlului, selectați parametrii de control mai sensibili și adoptați controlul combinat al mai multor parametri (care este deosebit de important pentru bateriile de capacitate mare).Pentru o capacitate mare, pachetul de baterii litiu-ion este o compoziție de celule multiple în serie/paralel, cum ar fi, tensiunea computerului notebook este mai mare de 10V, capacitate mare, în general, folosind 3 până la 4 serii de baterii unice poate îndeplini cerințele de tensiune, iar apoi 2 până la 3 serii de acumulator paralel, pentru a asigura o capacitate mare.
Pachetul de baterii de mare capacitate în sine trebuie să fie echipat cu o funcție de protecție relativ perfectă și ar trebui luate în considerare și două tipuri de module de plăci de circuite: modulul ProtecTIonBoardPCB și modulul SmartBatteryGaugeBoard.Întregul design de protecție a bateriei include: IC de protecție de nivel 1 (prevenirea supraîncărcării bateriei, supradescărcarea, scurtcircuitul), IC de protecție de nivel 2 (prevenirea a doua supratensiune), siguranță, indicator LED, reglare a temperaturii și alte componente.În cadrul mecanismului de protecție pe mai multe niveluri, chiar și în cazul unui încărcător de putere anormal și al laptopului, bateria laptopului poate fi comutată doar în starea de protecție automată.Dacă situația nu este gravă, adesea funcționează normal după ce a fost conectat și scos fără explozie.
Tehnologia de bază utilizată în bateriile litiu-ion utilizate în laptopuri și telefoane mobile este nesigură și trebuie luate în considerare structurile mai sigure.
În concluzie, odată cu progresul tehnologiei materialelor și cu aprofundarea înțelegerii de către oameni a cerințelor pentru proiectarea, fabricarea, testarea și utilizarea bateriilor litiu-ion, viitorul bateriilor litiu-ion va deveni mai sigur.
Ora postării: Mar-07-2022