Litijeve baterije so najhitreje rastoči baterijski sistem v zadnjih 20 letih in se pogosto uporabljajo v elektronskih izdelkih.Nedavna eksplozija mobilnih telefonov in prenosnikov je v bistvu eksplozija baterij.Kako izgledajo baterije mobilnih telefonov in prenosnikov, kako delujejo, zakaj eksplodirajo in kako se jim izogniti.
Stranski učinki se začnejo pojavljati, ko je litijeva celica prenapolnjena na napetost, višjo od 4,2 V.Višji kot je preobremenitveni tlak, večje je tveganje.Pri napetostih, višjih od 4,2 V, ko v materialu katode ostane manj kot polovica atomov litija, se celica za shranjevanje pogosto zruši, kar povzroči trajno zmanjšanje zmogljivosti baterije.Če se polnjenje nadaljuje, se bodo kasnejše kovine litija nabrale na površini materiala katode, saj je celica za shranjevanje katode že polna atomov litija.Ti litijevi atomi rastejo dendritične kristale s površine katode v smeri litijevih ionov.Kristali litija bodo šli skozi diafragmni papir in pri tem povzročili kratek stik med anodo in katodo.Včasih baterija eksplodira, preden pride do kratkega stika.To je zato, ker med postopkom prekomernega polnjenja materiali, kot so elektroliti, počijo in proizvedejo plin, ki povzroči, da ohišje baterije ali tlačni ventil nabrekne in poči, kar omogoči kisiku, da reagira z atomi litija, nabranimi na površini negativne elektrode, in eksplodira.
Zato je treba pri polnjenju litijeve baterije nastaviti zgornjo mejo napetosti, da se upošteva življenjska doba baterije, zmogljivost in varnost.Idealna zgornja meja polnilne napetosti je 4,2 V.Pri praznjenju litijevih celic mora obstajati tudi nižja meja napetosti.Ko napetost celice pade pod 2,4 V, začne nekaj materiala razpadati.In ker se bo baterija samoizpraznila, dlje časa bo napetost nižja, zato je najbolje, da ne izpraznite 2,4 V, da se ustavite.Od 3,0 V do 2,4 V litijeve baterije sprostijo le približno 3 % svoje kapacitete.Zato je 3,0 V idealna mejna napetost pri praznjenju.Pri polnjenju in praznjenju je poleg omejitve napetosti potrebna tudi omejitev toka.Ko je tok previsok, litijevi ioni nimajo časa vstopiti v celico za shranjevanje, se bodo kopičili na površini materiala.
Ko ti ioni pridobijo elektrone, kristalizirajo litijeve atome na površini materiala, kar je lahko enako nevarno kot prekomerno polnjenje.Če se ohišje baterije zlomi, bo eksplodirala.Zato mora zaščita litij-ionske baterije vključevati vsaj zgornjo mejo polnilne napetosti, spodnjo mejo praznjenja in zgornjo mejo toka.Na splošno bo poleg jedra litijeve baterije na voljo zaščitna plošča, ki bo v glavnem zagotavljala zaščito teh treh baterij.Vendar pa zaščitna plošča teh treh zaščit očitno ni dovolj, globalni dogodki eksplozije litijeve baterije ali pogosti.Da bi zagotovili varnost baterijskih sistemov, je potrebna natančnejša analiza vzroka eksplozije baterij.
Vzrok eksplozije:
1. velika notranja polarizacija;
2. Polni kos absorbira vodo in reagira z bobnom za elektrolit;
3. Kakovost in učinkovitost samega elektrolita;
4. Količina vbrizgane tekočine ne more izpolniti zahtev procesa;
5. Učinkovitost tesnjenja laserskega varjenja je v postopku priprave slaba in zaznano je uhajanje zraka.
6. Prah in prah polnega kosa zlahka povzročita mikrokratek stik;
7.Pozitivna in negativna plošča je debelejša od procesnega območja, težko jo je lupiti;
8. Problem tesnjenja pri vbrizgavanju tekočine, slabo tesnjenje jeklene krogle vodi do plinskega bobna;
9. stena lupine vhodnega materiala je predebela, deformacija lupine vpliva na debelino;
10. Visoka zunanja temperatura je tudi glavni vzrok za eksplozijo.
Vrsta eksplozije
Analiza vrste eksplozije Vrste eksplozije jedra baterije lahko razvrstimo kot zunanji kratek stik, notranji kratki stik in prenapolnjenost.Zunanjost se tukaj nanaša na zunanjost celice, vključno s kratkim stikom, ki ga povzroča slaba zasnova izolacije notranjega paketa baterij.Ko pride do kratkega stika zunaj celice in elektronske komponente ne prekinejo zanke, bo celica v notranjosti proizvedla visoko toploto, kar bo povzročilo izhlapevanje dela elektrolita, lupine baterije.Ko je notranja temperatura baterije visoka do 135 stopinj Celzija, bo kakovosten diafragmalni papir zaprl fino luknjo, elektrokemična reakcija se prekine ali skoraj zaključi, tok pade, temperatura pa tudi počasi pada, s čimer se izognete eksploziji. .Toda diafragmni papir s slabo hitrostjo zapiranja ali tisti, ki se sploh ne zapre, bo ohranjal baterijo toplo, izparil več elektrolita in sčasoma počil ohišje baterije ali celo dvignil temperaturo baterije do točke, ko material zagori. in eksplodira.Notranji kratek stik je v glavnem posledica udarcev bakrene folije in aluminijaste folije, ki prebijejo membrano, ali dendritičnih kristalov litijevih atomov, ki prebijejo membrano.
Te drobne igličaste kovine lahko povzročijo mikrokratek stik.Ker je igla zelo tanka in ima določeno vrednost upora, tok ni nujno zelo velik.Neravnine bakrene aluminijaste folije nastanejo v proizvodnem procesu.Opaženi pojav je, da baterija pušča prehitro, večino pa jih lahko odstranijo tovarne celic ali tovarne za sestavljanje.In ker so zareze majhne, včasih izgorijo, zaradi česar se baterija vrne v normalno stanje.Zato verjetnost eksplozije zaradi mikro kratkega stika burr ni velika.Takšen pogled lahko pogosto napolni iz notranjosti vsake celične tovarne, napetost na nizki slabi bateriji, redko pa eksplozija, dobi statistično podporo.Zato je eksplozija, ki jo povzroči notranji kratek stik, v glavnem posledica prenapolnjenosti.Ker so na preveč napolnjenem zadnjem elektrodnem listu povsod igličasti kovinski kristali litija, so povsod vbodne točke in povsod pride do mikrokratkega stika.Zato se bo temperatura celice postopoma dvignila in na koncu bo visoka temperatura povzročila elektrolit.Ta situacija, ne glede na to, ali je temperatura previsoka, da bi prišlo do eksplozije zgorevanja materiala, ali pa je bila lupina najprej zlomljena, tako da je zrak in litijeva kovina močno oksidirana, sta konec eksplozije.
Vendar ni nujno, da se taka eksplozija, ki jo povzroči notranji kratek stik zaradi prekomernega polnjenja, pojavi v času polnjenja.Možno je, da bodo potrošniki prenehali s polnjenjem in vzeli svoje telefone ven, preden je baterija dovolj vroča, da zažge materiale in proizvede dovolj plina, da poči ohišje baterije.Toplota, ki nastane zaradi številnih kratkih stikov, počasi segreje baterijo in čez nekaj časa eksplodira.Pogost opis potrošnikov je, da so dvignili telefon in ugotovili, da je zelo vroč, nato pa so ga odvrgli in eksplodiral.Na podlagi zgornjih vrst eksplozije se lahko osredotočimo na preprečevanje prenapolnjenosti, preprečevanje zunanjega kratkega stika in izboljšanje varnosti celice.Med njimi preprečevanje prenapolnjenosti in zunanjega kratkega stika pripada elektronski zaščiti, ki je v veliki meri povezana z zasnovo baterijskega sistema in paketa baterij.Ključna točka izboljšanja varnosti celic je kemična in mehanska zaščita, ki ima odlično sodelovanje s proizvajalci celic.
Varne skrite težave
Varnost litij-ionske baterije ni povezana le z naravo samega materiala celice, temveč tudi s tehnologijo priprave in uporabo baterije.Baterije mobilnih telefonov pogosto počijo, po eni strani zaradi okvare zaščitnega vezja, še pomembneje pa je, da materialni vidik v osnovi ni rešil problema.
Aktivni material litijeve katode s kobaltovo kislino je zelo zrel sistem v majhnih baterijah, toda po polni polnitvi je na anodi še vedno veliko litijevih ionov, ko se pričakuje, da se bodo litijevi ioni, ki ostanejo v anodi, zbrali na anodo. , ki nastane na katodnem dendritu, je posledica prekomernega polnjenja litijeve baterije s kobaltovo kislino, tudi v normalnem procesu polnjenja in praznjenja, lahko pride tudi do odvečnih litijevih ionov, prostih do negativne elektrode, ki tvorijo dendrite.Teoretična specifična energija materiala litijevega kobalata je več kot 270 mah/g, vendar je dejanska zmogljivost le polovica teoretične zmogljivosti za zagotovitev njegove ciklične zmogljivosti.Med uporabo, zaradi nekega razloga (kot je poškodba sistema za upravljanje) in je napetost polnjenja baterije previsoka, bo preostali del litija v pozitivni elektrodi odstranjen skozi elektrolit na površino negativne elektrode v oblika odlaganja kovinskega litija za tvorbo dendritov.Dendriti prebodejo diafragmo in ustvarijo notranji kratek stik.
Glavna sestavina elektrolita je karbonat, ki ima nizko plamenišče in nizko vrelišče.Pod določenimi pogoji bo zagorelo ali celo eksplodiralo.Če se baterija pregreje, bo prišlo do oksidacije in redukcije karbonata v elektrolitu, kar bo povzročilo veliko plina in več toplote.Če ni varnostnega ventila ali se plin ne sprosti skozi varnostni ventil, bo notranji tlak akumulatorja močno narasel in povzročil eksplozijo.
Litij-ionska baterija s polimernim elektrolitom v bistvu ne reši varnostnega problema, uporabljata se tudi litij-kobaltna kislina in organski elektrolit, elektrolit pa je koloiden, ni lahko puščati, bo prišlo do močnejšega zgorevanja, zgorevanje je največji problem varnosti polimerne baterije.
Nekaj težav je tudi pri uporabi baterije.Zunanji ali notranji kratek stik lahko povzroči nekaj sto amperov čezmernega toka.Ko pride do zunanjega kratkega stika, se baterija v trenutku izprazni z velikim tokom, kar porabi veliko energije in ustvari ogromno toplote na notranjem uporu.Notranji kratek stik povzroči velik tok, temperatura pa naraste, kar povzroči taljenje membrane in razširitev območja kratkega stika ter tako tvori začaran krog.
Litij-ionska baterija, da bi dosegli visoko delovno napetost ene celice 3 ~ 4,2 V, mora upoštevati razgradnjo napetosti, ki je večja od 2 V organskega elektrolita, in uporaba organskega elektrolita v visokih tokovnih, visokotemperaturnih pogojih bo elektrolizirana, elektrolitska plin, kar povzroči povečan notranji tlak, bo resno prebilo lupino.
Prekomerno polnjenje lahko obori kovinski litij, v primeru zloma lupine, neposrednega stika z zrakom, kar povzroči zgorevanje, hkrati pa vžig elektrolita, močan plamen, hitro širjenje plina, eksplozijo.
Poleg tega pri litij-ionski bateriji mobilnega telefona zaradi nepravilne uporabe, kot je ekstrudiranje, udarec in vnos vode, pride do širjenja baterije, deformacije in pokanja itd., kar bo povzročilo kratek stik baterije v procesu praznjenja ali polnjenja. s toplotno eksplozijo.
Varnost litijevih baterij:
Da bi se izognili prekomernemu praznjenju ali prenapolnjenosti zaradi nepravilne uporabe, je v enojni litij-ionski bateriji nastavljen trojni zaščitni mehanizem.Ena je uporaba preklopnih elementov, ko se temperatura baterije dvigne, se bo njen upor povečal, ko bo temperatura previsoka, bo samodejno zaustavil napajanje;Drugi je izbrati ustrezen pregradni material, ko se temperatura dvigne na določeno vrednost, se mikronske pore na pregradi samodejno raztopijo, tako da litijevi ioni ne morejo preiti, notranja reakcija baterije se ustavi;Tretja je nastavitev varnostnega ventila (to je odzračevalna luknja na vrhu baterije).Ko notranji tlak akumulatorja naraste na določeno vrednost, se varnostni ventil samodejno odpre, da zagotovi varnost akumulatorja.
Včasih, čeprav ima baterija sama varnostne nadzorne ukrepe, vendar zaradi nekaterih razlogov, ki jih povzroči okvara krmiljenja, pomanjkanje varnostnega ventila ali plin nima časa za sprostitev skozi varnostni ventil, se bo notranji tlak baterije močno povečal in povzročil eksplozija.Na splošno je skupna energija, shranjena v litij-ionskih baterijah, obratno sorazmerna z njihovo varnostjo.Ko se zmogljivost baterije poveča, se poveča tudi prostornina baterije, njena učinkovitost odvajanja toplote se poslabša, zato se bo možnost nesreč močno povečala.Za litij-ionske baterije, ki se uporabljajo v mobilnih telefonih, je osnovna zahteva, da mora biti verjetnost varnostnih nesreč manjša od ena proti milijon, kar je tudi minimalni standard, sprejemljiv za javnost.Za litij-ionske baterije velike zmogljivosti, zlasti za avtomobile, je zelo pomembno sprejeti prisilno odvajanje toplote.
Izbira varnejših materialov za elektrode, materiala litijevega manganovega oksida, v smislu molekularne strukture, ki zagotavlja, da so bili litijevi ioni v stanju polne napolnjenosti v pozitivni elektrodi popolnoma vdelani v negativno ogljikovo luknjo, v bistvu prepreči nastajanje dendritov.Hkrati je stabilna struktura litijeve manganove kisline, tako da je njena oksidacijska učinkovitost veliko nižja od litijeve kobaltove kisline, temperatura razgradnje litijeve kobaltove kisline je večja od 100 ℃, tudi zaradi zunanjega zunanjega kratkega stika (iglanje), zunanje kratkega stika, prekomernega polnjenja, se lahko popolnoma izogne tudi nevarnosti izgorevanja in eksplozije, ki jo povzroča oborjena kovina litij.
Poleg tega lahko uporaba materiala litijevega manganata močno zmanjša stroške.
Da bi izboljšali delovanje obstoječe tehnologije varnostnega nadzora, moramo najprej izboljšati varnostno delovanje jedra litij-ionske baterije, kar je še posebej pomembno pri baterijah velike zmogljivosti.Izberite diafragmo z dobrim toplotnim zapiranjem.Vloga membrane je, da izolira pozitivni in negativni pol baterije, hkrati pa omogoča prehod litijevih ionov.Ko se temperatura dvigne, se membrana zapre, preden se stopi, s čimer se notranji upor dvigne na 2000 ohmov in prekine notranjo reakcijo.Ko notranji tlak ali temperatura dosežeta prednastavljeni standard, se bo protieksplozijsko varni ventil odprl in začel sproščati tlak, da prepreči čezmerno kopičenje notranjega plina, deformacijo in sčasoma povzroči razpok lupine.Izboljšajte občutljivost nadzora, izberite bolj občutljive parametre nadzora in uporabite kombinirani nadzor več parametrov (kar je še posebej pomembno za baterije z veliko zmogljivostjo).Za veliko zmogljivo litij-ionsko baterijo je serija / vzporedna večcelična sestava, kot je napetost prenosnega računalnika več kot 10 V, velika zmogljivost, na splošno z uporabo 3 do 4 posameznih baterijskih serij lahko izpolni napetostne zahteve, nato pa 2 do 3 serije baterijski paket vzporedno, da se zagotovi velika kapaciteta.
Sam visokozmogljiv akumulator mora biti opremljen z razmeroma popolno zaščitno funkcijo, upoštevati pa je treba tudi dve vrsti modulov tiskanega vezja: modul ProtectIonBoardPCB in modul SmartBatteryGaugeBoard.Celotna zasnova zaščite baterije vključuje: zaščitni IC stopnje 1 (prepreči prenapolnjenost baterije, prekomerno izpraznjenost, kratek stik), zaščitni IC stopnje 2 (prepreči drugo prenapetost), varovalko, LED indikator, regulacijo temperature in druge komponente.V okviru večstopenjskega zaščitnega mehanizma lahko tudi v primeru nenormalnega napajanja polnilnika in prenosnega računalnika baterijo prenosnega računalnika preklopite le v stanje samodejne zaščite.Če situacija ni resna, po priključitvi in odstranitvi pogosto deluje normalno brez eksplozije.
Osnovna tehnologija, ki se uporablja v litij-ionskih baterijah, ki se uporabljajo v prenosnikih in mobilnih telefonih, ni varna, zato je treba razmisliti o varnejših strukturah.
Skratka, z napredkom tehnologije materialov in poglabljanjem razumevanja ljudi o zahtevah za načrtovanje, proizvodnjo, testiranje in uporabo litij-ionskih baterij bo prihodnost litij-ionskih baterij postala varnejša.
Čas objave: mar-07-2022