Lithium-batterier er det hurtigst voksende batterisystem i de sidste 20 år og er meget udbredt i elektroniske produkter.Den seneste eksplosion af mobiltelefoner og bærbare computere er i bund og grund en batterieksplosion.Hvordan batterier til mobiltelefoner og bærbare computere ser ud, hvordan de virker, hvorfor de eksploderer, og hvordan man undgår dem.
Bivirkninger begynder at opstå, når lithiumcellen overlades til en spænding højere end 4,2V.Jo højere overladningstryk, jo højere er risikoen.Ved spændinger højere end 4,2V, når mindre end halvdelen af lithiumatomerne er tilbage i katodematerialet, kollapser lagercellen ofte, hvilket forårsager et permanent fald i batterikapaciteten.Hvis ladningen fortsætter, vil efterfølgende lithiummetaller hobe sig op på overfladen af katodematerialet, da katodens lagercelle allerede er fuld af lithiumatomer.Disse lithiumatomer vokser dendritiske krystaller fra katodeoverfladen i retning af lithiumionerne.Lithiumkrystallerne vil passere gennem membranpapiret og kortslutter anoden og katoden.Nogle gange eksploderer batteriet, før der opstår en kortslutning.Det skyldes, at under overopladningsprocessen sprækker materialer som elektrolytter for at producere gas, der får batterihuset eller trykventilen til at svulme og briste, hvilket tillader oxygen at reagere med lithiumatomer, der er akkumuleret på overfladen af den negative elektrode og eksplodere.
Derfor, når lithiumbatteriet oplades, er det nødvendigt at indstille den øvre grænse for spænding for at tage hensyn til batteriets levetid, kapacitet og sikkerhed.Den ideelle øvre grænse for ladespænding er 4,2V.Der bør også være en lavere spændingsgrænse, når lithiumceller aflades.Når cellespændingen falder til under 2,4V, begynder noget af materialet at nedbrydes.Og fordi batteriet vil selvaflade, jo længere vil spændingen være lavere, derfor er det bedst ikke at aflade 2,4V for at stoppe.Fra 3,0 V til 2,4 V frigiver lithiumbatterier kun omkring 3 % af deres kapacitet.Derfor er 3,0V en ideel udladningsafskæringsspænding.Ved op- og afladning er ud over spændingsgrænsen også strømgrænsen nødvendig.Når strømmen er for høj, har lithiumioner ikke tid til at komme ind i lagercellen, vil akkumulere på overfladen af materialet.
Da disse ioner får elektroner, krystalliserer de lithiumatomer på overfladen af materialet, hvilket kan være lige så farligt som overopladning.Hvis batterihuset går i stykker, vil det eksplodere.Derfor bør beskyttelsen af lithium-ion-batterier mindst omfatte den øvre grænse for ladespænding, nedre grænse for afladningsspænding og øvre grænse for strøm.Generelt vil der udover lithiumbatterikernen være en beskyttelsesplade, som hovedsageligt skal yde disse tre beskyttelse.Men beskyttelsespladen af disse tre beskyttelse er åbenbart ikke nok, den globale lithium batteri eksplosion hændelser eller hyppige.For at sikre batterisystemernes sikkerhed er der behov for en mere omhyggelig analyse af årsagen til batterieksplosioner.
Årsag til eksplosion:
1. Stor intern polarisering;
2. Polstykket absorberer vand og reagerer med elektrolytgastromlen;
3. Kvaliteten og ydeevnen af selve elektrolytten;
4. Mængden af væskeinjektion kan ikke opfylde proceskravene;
5. Lasersvejseforseglingens ydeevne er dårlig i forberedelsesprocessen, og luftlækagen detekteres.
6. Støv og polstøv er lette at forårsage mikrokortslutning først;
7.Positiv og negativ plade tykkere end procesområdet, svær at afskalle;
8. Tætningsproblem ved væskeindsprøjtning, dårlig tætningsevne af stålkuglen fører til gastromle;
9.Shell indgående materiale skalvæggen er for tyk, skaldeformation påvirker tykkelsen;
10. Den høje omgivende temperatur udenfor er også hovedårsagen til eksplosionen.
Eksplosionstypen
Eksplosionstype Analyse Typerne af batterikerneeksplosion kan klassificeres som ekstern kortslutning, intern kortslutning og overopladning.Det ydre refererer her til cellens ydre, inklusive kortslutningen forårsaget af den interne batteripakkes dårlige isoleringsdesign.Når der opstår en kortslutning uden for cellen, og de elektroniske komponenter undlader at afskære sløjfen, vil cellen generere høj varme indeni, hvilket får en del af elektrolytten til at fordampe, batteriskallen.Når batteriets indvendige temperatur er høj til 135 grader Celsius, vil membranpapiret af god kvalitet lukke det fine hul, den elektrokemiske reaktion afsluttes eller næsten afsluttes, strømmen falder, og temperaturen falder også langsomt, hvorved eksplosionen undgås. .Men et membranpapir med en dårlig lukkehastighed, eller et der slet ikke lukker, vil holde batteriet varmt, fordampe mere elektrolyt og til sidst sprænge batterihuset eller endda hæve batteriets temperatur til det punkt, hvor materialet brænder og eksploderer.Den interne kortslutning er hovedsageligt forårsaget af graten fra kobberfolie og aluminiumsfolie, der gennemborer membranen, eller de dendritiske krystaller af lithiumatomer, der gennemborer membranen.
Disse små, nålelignende metaller kan forårsage mikrokortslutninger.Fordi nålen er meget tynd og har en vis modstandsværdi, er strømmen ikke nødvendigvis særlig stor.Graterne af kobber-aluminiumsfolie er forårsaget i produktionsprocessen.Det observerede fænomen er, at batteriet lækker for hurtigt, og de fleste af dem kan frasorteres af cellefabrikker eller samlefabrikker.Og fordi graterne er små, brænder de nogle gange af, hvilket gør batteriet tilbage til det normale.Derfor er sandsynligheden for eksplosion forårsaget af grat-mikrokortslutning ikke høj.En sådan udsigt, kan ofte oplade fra indersiden af hver celle fabrik, spændingen på den lave dårlige batteri, men sjældent eksplosion, få statistisk støtte.Derfor er eksplosionen forårsaget af intern kortslutning hovedsageligt forårsaget af overladning.Fordi der er nålelignende lithiummetalkrystaller overalt på den overopladede bageste elektrodeplade, er punkturpunkter overalt, og der opstår mikrokortslutninger overalt.Derfor vil celletemperaturen gradvist stige, og til sidst vil den høje temperatur elektrolyttere gas.Denne situation, uanset om temperaturen er for høj til at gøre materialet forbrænding eksplosion, eller skallen først blev brudt, så luften i og lithium metal voldsom oxidation, er slutningen af eksplosionen.
Men en sådan eksplosion, forårsaget af en intern kortslutning forårsaget af overopladning, opstår ikke nødvendigvis på opladningstidspunktet.Det er muligt, at forbrugerne stopper opladningen og tager deres telefoner ud, før batteriet er varmt nok til at brænde materialer og producere nok gas til at sprænge batterihuset.Varmen, der genereres af de mange kortslutninger, opvarmer langsomt batteriet og eksploderer efter nogen tid.Den almindelige beskrivelse af forbrugere er, at de tog telefonen og fandt, at den var meget varm, og derefter smed den væk og eksploderede.Baseret på ovenstående typer eksplosion kan vi fokusere på forebyggelse af overopladning, forebyggelse af ekstern kortslutning og forbedre cellens sikkerhed.Blandt dem hører forebyggelsen af overopladning og ekstern kortslutning til elektronisk beskyttelse, som i høj grad er relateret til design af batterisystem og batteripakke.Nøglepunktet for forbedring af cellesikkerhed er kemisk og mekanisk beskyttelse, som har et godt forhold til celleproducenter.
Sikker skjulte problemer
Lithium-ion-batteriets sikkerhed er ikke kun relateret til selve cellematerialets art, men også relateret til forberedelsesteknologien og brugen af batteriet.Mobiltelefonbatterier eksploderer ofte på den ene side på grund af svigt i beskyttelseskredsløbet, men endnu vigtigere, det materielle aspekt har ikke fundamentalt løst problemet.
Koboltsyre lithium katode aktivt materiale er et meget modent system i små batterier, men efter en fuld opladning er der stadig en masse lithium ioner ved anoden, når overopladning, tilbage i anoden af lithium ion forventes at flokkes til anoden , er dannet på katoden dendrit bruger koboltsyre lithium batteri overopladning følger, selv i den normale opladning og afladning proces, Der kan også være overskydende lithium ioner fri til den negative elektrode til at danne dendritter.Den teoretiske specifikke energi af lithiumcobalat-materiale er mere end 270 mah/g, men den faktiske kapacitet er kun halvdelen af den teoretiske kapacitet til at sikre dets cykliske ydeevne.I brugsprocessen, på grund af en eller anden grund (såsom beskadigelse af styringssystemet) og batteriets ladespænding er for høj, vil den resterende del af lithium i den positive elektrode blive fjernet gennem elektrolytten til den negative elektrodeoverflade i form af lithiummetalaflejring for at danne dendritter.Dendritter Gennemborer mellemgulvet og skaber en intern kortslutning.
Hovedbestanddelen af elektrolytten er carbonat, som har et lavt flammepunkt og et lavt kogepunkt.Det vil brænde eller endda eksplodere under visse forhold.Hvis batteriet overophedes, vil det føre til oxidation og reduktion af karbonatet i elektrolytten, hvilket resulterer i meget gas og mere varme.Hvis der ikke er nogen sikkerhedsventil, eller gassen ikke frigives gennem sikkerhedsventilen, vil batteriets indre tryk stige kraftigt og forårsage en eksplosion.
Polymer elektrolyt lithium ion batteri løser ikke grundlæggende sikkerhedsproblemet, lithium cobalt syre og organisk elektrolyt bruges også, og elektrolytten er kolloid, ikke let at lække, vil opstå mere voldsom forbrænding, forbrænding er det største problem med polymer batteri sikkerhed.
Der er også nogle problemer med brugen af batteriet.En ekstern eller intern kortslutning kan producere et par hundrede ampere for høj strøm.Når der opstår en ekstern kortslutning, aflader batteriet øjeblikkeligt en stor strøm, forbruger en stor mængde energi og genererer enorm varme på den indre modstand.Den interne kortslutning danner en stor strøm, og temperaturen stiger, hvilket får membranen til at smelte og kortslutningsområdet til at udvide sig og dermed danne en ond cirkel.
Lithium-ion-batteri for at opnå en enkelt celle 3 ~ 4.2V høj arbejdsspænding, skal tage nedbrydning af spændingen er større end 2V organisk elektrolyt, og brugen af organisk elektrolyt i høj strøm, høje temperaturforhold vil blive elektrolyseret, elektrolytisk gas, hvilket resulterer i øget indre tryk, vil alvorligt bryde igennem skallen.
Overladning kan udfælde lithiummetal, i tilfælde af skalsprængning, direkte kontakt med luft, hvilket resulterer i forbrænding, samtidig antændelseselektrolyt, stærk flamme, hurtig udvidelse af gas, eksplosion.
Desuden, for mobiltelefon lithium-ion batteri, på grund af forkert brug, såsom ekstrudering, stød og vandindtag fører til batteriudvidelse, deformation og revner osv., hvilket vil føre til batteri kortslutning, i afladning eller opladningsprocessen forårsaget ved varmeeksplosion.
Lithium-batteriers sikkerhed:
For at undgå overafladning eller overopladning forårsaget af forkert brug, er den tredobbelte beskyttelsesmekanisme indstillet i et enkelt lithium-ion-batteri.Den ene er brugen af skifteelementer, når temperaturen på batteriet stiger, vil dets modstand stige, når temperaturen er for høj, vil automatisk stoppe strømforsyningen;Det andet er at vælge det passende skillevægsmateriale, når temperaturen stiger til en vis værdi, vil mikronporerne på skillevæggen automatisk opløses, så lithiumioner ikke kan passere, batteriets interne reaktion stopper;Den tredje er at sætte sikkerhedsventilen op (det vil sige udluftningshullet på toppen af batteriet).Når batteriets indre tryk stiger til en vis værdi, åbner sikkerhedsventilen automatisk for at sikre batteriets sikkerhed.
Nogle gange, selvom batteriet selv har sikkerhedskontrolforanstaltninger, men på grund af nogle årsager forårsaget af kontrolfejlen, har manglen på sikkerhedsventil eller gas ikke tid til at frigive gennem sikkerhedsventilen, vil batteriets indre tryk stige kraftigt og forårsage en eksplosion.Generelt er den samlede energi lagret i lithium-ion-batterier omvendt proportional med deres sikkerhed.Efterhånden som batteriets kapacitet øges, øges også batteriets volumen, og dets varmeafledningsevne forringes, og muligheden for ulykker vil stige kraftigt.For lithium-ion-batterier, der bruges i mobiltelefoner, er det grundlæggende krav, at sandsynligheden for sikkerhedsulykker skal være mindre end én ud af en million, hvilket også er den minimumsstandard, der er acceptabel for offentligheden.For lithium-ion-batterier med stor kapacitet, især til biler, er det meget vigtigt at anvende tvungen varmeafledning.
Udvælgelsen af sikrere elektrodematerialer, lithiummanganoxidmateriale, med hensyn til molekylær struktur for at sikre, at lithiumionerne i den positive elektrode i fuld ladningstilstand er blevet fuldstændig indlejret i det negative kulstofhul, undgår grundlæggende generering af dendritter.Samtidig er den stabile struktur af lithiummangansyre, så dens oxidationsevne er langt lavere end lithiumcoboltsyre, nedbrydningstemperaturen for lithiumcoboltsyre mere end 100 ℃, selv på grund af ekstern ekstern kortslutning (nåling), ekstern kortslutning, overopladning, kan også helt undgå faren for forbrænding og eksplosion forårsaget af udfældet lithiummetal.
Derudover kan brugen af lithiummanganatmateriale også reducere omkostningerne betydeligt.
For at forbedre ydeevnen af den eksisterende sikkerhedskontrolteknologi skal vi først forbedre sikkerhedsydelsen af lithium-ion-batterikernen, hvilket er særligt vigtigt for batterier med stor kapacitet.Vælg en membran med god termisk lukkeevne.Membranens rolle er at isolere batteriets positive og negative poler og samtidig tillade passage af lithium-ioner.Når temperaturen stiger, lukkes membranen, før den smelter, hvilket hæver den indre modstand til 2.000 ohm og lukker ned for den indre reaktion.Når det indre tryk eller temperatur når den forudindstillede standard, åbner den eksplosionssikre ventil og begynder at aflaste trykket for at forhindre overdreven ophobning af intern gas, deformation og i sidste ende føre til granatsprængning.Forbedre kontrolfølsomheden, vælg mere følsomme kontrolparametre og overtag den kombinerede kontrol af flere parametre (hvilket er særligt vigtigt for batterier med stor kapacitet).For stor kapacitet lithium ion batteripakke er en serie/parallel flere celle sammensætning, såsom notebook computer spænding er mere end 10V, stor kapacitet, generelt ved hjælp af 3 til 4 enkelt batteri serier kan opfylde spændingskravene, og derefter 2 til 3 serier af batteripakke parallelt, for at sikre stor kapacitet.
Selve batteripakken med høj kapacitet skal være udstyret med en forholdsvis perfekt beskyttelsesfunktion, og to slags printkortmoduler bør også overvejes: ProtecTIONBoardPCB-modul og SmartBatteryGaugeBoard-modul.Hele batteribeskyttelsesdesignet inkluderer: niveau 1 beskyttelse IC (forhindrer batteri overopladning, overafladning, kortslutning), niveau 2 beskyttelse IC (forhindrer anden overspænding), sikring, LED-indikator, temperaturregulering og andre komponenter.Under flerniveaubeskyttelsesmekanismen, selv i tilfælde af unormal strømoplader og bærbar computer, kan den bærbare computers batteri kun skiftes til den automatiske beskyttelsestilstand.Hvis situationen ikke er alvorlig, fungerer den ofte normalt efter at være blevet tilsluttet og fjernet uden eksplosion.
Den underliggende teknologi, der bruges i lithium-ion-batterier, der bruges i bærbare computere og mobiltelefoner, er usikker, og sikrere strukturer skal overvejes.
Som konklusion, med fremskridt inden for materialeteknologi og uddybningen af folks forståelse af kravene til design, fremstilling, test og brug af lithium-ion-batterier, vil fremtiden for lithium-ion-batterier blive sikrere.
Posttid: Mar-07-2022