Litiumbatterier er det raskest voksende batterisystemet de siste 20 årene og er mye brukt i elektroniske produkter. Den nylige eksplosjonen av mobiltelefoner og bærbare datamaskiner er i hovedsak en batterieksplosjon. Hvordan mobiltelefon- og bærbare batterier ser ut, hvordan de fungerer, hvorfor de eksploderer, og hvordan unngå dem.
Bivirkninger begynner å oppstå når litiumcellen overlades til en spenning høyere enn 4,2V. Jo høyere overladingstrykk, jo høyere er risikoen. Ved spenninger høyere enn 4,2V, når mindre enn halvparten av litiumatomene er igjen i katodematerialet, kollapser lagringscellen ofte, noe som forårsaker en permanent nedgang i batterikapasiteten. Hvis ladningen fortsetter, vil påfølgende litiummetaller hope seg opp på overflaten av katodematerialet, siden katodens lagringscelle allerede er full av litiumatomer. Disse litiumatomene vokser dendritiske krystaller fra katodeoverflaten i retning av litiumionene. Litiumkrystallene vil passere gjennom membranpapiret og kortslutte anoden og katoden. Noen ganger eksploderer batteriet før det oppstår en kortslutning. Det er fordi under overladingsprosessen sprekker materialer som elektrolytter for å produsere gass som får batterihuset eller trykkventilen til å svulme og briste, slik at oksygen reagerer med litiumatomer akkumulert på overflaten av den negative elektroden og eksploderer.
Derfor, når litiumbatteriet lades, er det nødvendig å stille inn den øvre spenningsgrensen for å ta hensyn til batteriets levetid, kapasitet og sikkerhet. Den ideelle øvre grensen for ladespenning er 4,2V. Det bør også være en nedre spenningsgrense når litiumceller utlades. Når cellespenningen faller under 2,4V, begynner noe av materialet å brytes ned. Og fordi batteriet vil selvutlades, jo lenger spenningen vil være lavere, derfor er det best å ikke lade ut 2,4V for å stoppe. Fra 3,0V til 2,4V frigjør litiumbatterier bare omtrent 3 % av kapasiteten. Derfor er 3,0V en ideell utladningssperrespenning. Ved lading og utlading er det i tillegg til spenningsgrensen også nødvendig med strømgrense. Når strømmen er for høy, har litiumioner ikke tid til å komme inn i lagringscellen, vil samle seg på overflaten av materialet.
Når disse ionene får elektroner, krystalliserer de litiumatomer på overflaten av materialet, noe som kan være like farlig som overlading. Hvis batterihuset går i stykker, vil det eksplodere. Derfor bør beskyttelsen av litiumionbatterier minst inkludere den øvre grensen for ladespenning, nedre grense for utladningsspenning og øvre grense for strøm. Generelt vil det i tillegg til litiumbatterikjernen være en beskyttelsesplate, som hovedsakelig skal gi disse tre beskyttelse. Imidlertid er beskyttelsen plate av disse tre beskyttelse åpenbart ikke nok, den globale litium batteri eksplosjon hendelser eller hyppige. For å sikre sikkerheten til batterisystemer er det nødvendig med en mer nøye analyse av årsaken til batterieksplosjoner.
Årsak til eksplosjon:
1. Stor intern polarisering;
2. Polstykket absorberer vann og reagerer med elektrolyttgasstrommelen;
3. Kvaliteten og ytelsen til selve elektrolytten;
4. Mengden av væskeinjeksjon kan ikke oppfylle prosesskravene;
5. Laser-sveisetetningsytelsen er dårlig i forberedelsesprosessen, og luftlekkasjen oppdages.
6. Støv og polstøv er lett å forårsake mikrokortslutning først;
7.Positiv og negativ plate tykkere enn prosessområdet, vanskelig å avskalle;
8. Forseglingsproblem med væskeinjeksjon, dårlig tetningsytelse av stålkuler fører til gasstrommel;
9.Shell innkommende materiale skallveggen er for tykk, skalldeformasjon påvirker tykkelsen;
10. Den høye omgivelsestemperaturen ute er også hovedårsaken til eksplosjonen.
Eksplosjonstypen
Eksplosjonstype Analyse Typene batterikjerneeksplosjon kan klassifiseres som ekstern kortslutning, intern kortslutning og overlading. Det eksterne refererer her til det ytre av cellen, inkludert kortslutningen forårsaket av den dårlige isolasjonsdesignen til den interne batteripakken. Når det oppstår en kortslutning utenfor cellen, og de elektroniske komponentene ikke klarer å kutte av sløyfen, vil cellen generere høy varme inne, noe som får en del av elektrolytten til å fordampe, batteriskallet. Når den interne temperaturen til batteriet er høy til 135 grader Celsius, vil membranpapiret av god kvalitet lukke det fine hullet, den elektrokjemiske reaksjonen avsluttes eller nesten avsluttes, strømmen stuper, og temperaturen synker også sakte, og dermed unngår eksplosjonen . Men et membranpapir med dårlig lukkehastighet, eller et som ikke lukker seg i det hele tatt, vil holde batteriet varmt, fordampe mer elektrolytt og til slutt sprenge batterihuset, eller til og med heve batteritemperaturen til det punktet hvor materialet brenner. og eksploderer. Den interne kortslutningen er hovedsakelig forårsaket av graten av kobberfolie og aluminiumsfolie som gjennomborer membranen, eller de dendrittiske krystallene av litiumatomer som gjennomborer membranen.
Disse bittesmå, nållignende metallene kan forårsake mikrokortslutninger. Fordi nålen er veldig tynn og har en viss motstandsverdi, er strømmen ikke nødvendigvis veldig stor. Gradene av kobberaluminiumsfolie er forårsaket i produksjonsprosessen. Det observerte fenomenet er at batteriet lekker for fort, og de fleste av dem kan siles ut av cellefabrikker eller monteringsanlegg. Og fordi gratene er små, brenner de noen ganger av, noe som gjør batteriet tilbake til det normale. Derfor er sannsynligheten for eksplosjon forårsaket av burr-mikrokortslutning ikke høy. En slik visning, kan ofte lade fra innsiden av hver celle fabrikk, spenningen på lavt dårlig batteri, men sjelden eksplosjon, få statistisk støtte. Derfor er eksplosjonen forårsaket av intern kortslutning hovedsakelig forårsaket av overlading. Fordi det er nållignende litiummetallkrystaller overalt på det overladede bakre elektrodearket, er punkteringspunkter overalt, og mikrokortslutning oppstår overalt. Derfor vil celletemperaturen gradvis stige, og til slutt vil den høye temperaturen elektrolytte gass. Denne situasjonen, enten temperaturen er for høy til å gjøre materialet forbrenning eksplosjon, eller skallet først ble ødelagt, slik at luften i og litium metall voldsom oksidasjon, er slutten av eksplosjonen.
Men en slik eksplosjon, forårsaket av en intern kortslutning forårsaket av overlading, oppstår ikke nødvendigvis på tidspunktet for lading. Det er mulig at forbrukere slutter å lade og tar telefonene ut før batteriet er varmt nok til å brenne materialer og produsere nok gass til å sprenge batteridekselet. Varmen som genereres av de mange kortslutningene varmer langsomt batteriet og eksploderer etter en stund. Den vanlige beskrivelsen av forbrukere er at de tok telefonen og fant ut at den var veldig varm, og deretter kastet den og eksploderte. Basert på de ovennevnte eksplosjonstypene kan vi fokusere på forebygging av overlading, forebygging av ekstern kortslutning og forbedre sikkerheten til cellen. Blant dem hører forebygging av overlading og ekstern kortslutning til elektronisk beskyttelse, som i stor grad er relatert til utformingen av batterisystemet og batteripakken. Nøkkelpunktet for forbedring av cellesikkerhet er kjemisk og mekanisk beskyttelse, som har et godt forhold til celleprodusenter.
Trygge skjulte problemer
Sikkerheten til litiumionbatterier er ikke bare relatert til selve cellematerialets natur, men også relatert til forberedelsesteknologien og bruken av batteriet. Mobiltelefonbatterier eksploderer ofte på den ene siden på grunn av svikt i beskyttelseskretsen, men enda viktigere, det materielle aspektet har ikke fundamentalt løst problemet.
Koboltsyre litiumkatodeaktivt materiale er et veldig modent system i små batterier, men etter full ladning er det fortsatt mange litiumioner ved anoden, når overlading er det ventet at gjenværende i anoden av litiumion flokker seg til anoden. , er dannet på katoden dendritten bruker koboltsyre litiumbatteri overlading følger, selv i den normale ladnings- og utladningsprosessen, Det kan også være overflødig litiumioner fri til den negative elektroden for å danne dendritter. Den teoretiske spesifikke energien til litiumkobalatmateriale er mer enn 270 mah/g, men den faktiske kapasiteten er bare halvparten av den teoretiske kapasiteten for å sikre syklingsytelsen. I bruksprosessen, på grunn av en eller annen grunn (som skade på styringssystemet) og batteriladespenningen er for høy, vil den gjenværende delen av litium i den positive elektroden bli fjernet, gjennom elektrolytten til den negative elektrodeoverflaten i form av litiummetallavsetning for å danne dendritter. Dendritter Gjennomborer membranen og skaper en intern kortslutning.
Hovedkomponenten i elektrolytten er karbonat, som har et lavt flammepunkt og et lavt kokepunkt. Det vil brenne eller til og med eksplodere under visse forhold. Hvis batteriet overopphetes, vil det føre til oksidasjon og reduksjon av karbonatet i elektrolytten, noe som resulterer i mye gass og mer varme. Hvis det ikke er noen sikkerhetsventil eller gassen ikke slippes ut gjennom sikkerhetsventilen, vil det interne trykket i batteriet stige kraftig og forårsake en eksplosjon.
Polymerelektrolytt litiumionbatteri løser ikke grunnleggende sikkerhetsproblemet, litiumkoboltsyre og organisk elektrolytt brukes også, og elektrolytten er kolloidal, ikke lett å lekke, vil oppstå mer voldsom forbrenning, forbrenning er det største problemet med polymerbatterisikkerhet.
Det er også noen problemer med bruken av batteriet. En ekstern eller intern kortslutning kan produsere noen hundre ampere med for høy strøm. Når en ekstern kortslutning oppstår, lader batteriet øyeblikkelig ut en stor strøm, forbruker en stor mengde energi og genererer enorm varme på den indre motstanden. Den interne kortslutningen danner en stor strøm, og temperaturen stiger, noe som får membranen til å smelte og kortslutningsområdet til å utvide seg, og dermed danne en ond sirkel.
Lithium ion batteri for å oppnå en enkelt celle 3 ~ 4,2V høy arbeidsspenning, må ta dekomponeringen av spenningen er større enn 2V organisk elektrolytt, og bruken av organisk elektrolytt i høy strøm, høye temperaturforhold vil bli elektrolysert, elektrolytisk gass, noe som resulterer i økt indre trykk, vil alvorlig bryte gjennom skallet.
Overlading kan utfelle litiummetall, i tilfelle skallbrudd, direkte kontakt med luft, noe som resulterer i forbrenning, samtidig antennelseselektrolytt, sterk flamme, rask ekspansjon av gass, eksplosjon.
I tillegg, for mobiltelefon litium-ion-batteri, på grunn av feil bruk, som ekstrudering, støt og vanninntak fører til batteriekspansjon, deformasjon og sprekkdannelse, etc., som vil føre til batterikortslutning, i utladnings- eller ladeprosessen forårsaket ved varmeeksplosjon.
Sikkerhet for litiumbatterier:
For å unngå overutlading eller overlading forårsaket av feil bruk, er trippel beskyttelsesmekanisme satt i ett litiumionbatteri. Den ene er bruken av bytteelementer, når temperaturen på batteriet stiger, vil motstanden stige, når temperaturen er for høy, stopper strømforsyningen automatisk; Det andre er å velge passende partisjonsmateriale, når temperaturen stiger til en viss verdi, vil mikronporene på partisjonen automatisk oppløses, slik at litiumioner ikke kan passere, batteriets interne reaksjon stopper; Den tredje er å sette opp sikkerhetsventilen (det vil si ventilasjonshullet på toppen av batteriet). Når det interne trykket til batteriet stiger til en viss verdi, åpnes sikkerhetsventilen automatisk for å sikre batteriets sikkerhet.
Noen ganger, selv om batteriet i seg selv har sikkerhetskontrolltiltak, men på grunn av noen årsaker forårsaket av kontrollfeilen, har mangelen på sikkerhetsventil eller gass ikke tid til å slippe ut gjennom sikkerhetsventilen, vil det interne trykket til batteriet stige kraftig og forårsake en eksplosjon. Generelt er den totale energien som er lagret i litium-ion-batterier omvendt proporsjonal med deres sikkerhet. Etter hvert som batteriets kapasitet øker, øker også volumet på batteriet, og dets varmeavledningsevne forringes, og muligheten for ulykker vil øke betraktelig. For litium-ion-batterier som brukes i mobiltelefoner er det grunnleggende kravet at sannsynligheten for sikkerhetsulykker skal være mindre enn én av en million, som også er minimumsstandarden som er akseptabel for publikum. For litium-ion-batterier med stor kapasitet, spesielt for biler, er det svært viktig å ta i bruk tvungen varmeavledning.
Valget av sikrere elektrodematerialer, litiummanganoksydmateriale, når det gjelder molekylstruktur for å sikre at litiumionene i den positive elektroden i full ladningstilstand er fullstendig innebygd i det negative karbonhullet, unngår fundamentalt generering av dendritter. Samtidig er den stabile strukturen til litiummangansyre, slik at dens oksidasjonsytelse er langt lavere enn litiumkoboltsyre, nedbrytningstemperaturen til litiumkoboltsyre mer enn 100 ℃, selv på grunn av ekstern ekstern kortslutning (nåling), ekstern kortslutning, overlading, kan også helt unngå faren for forbrenning og eksplosjon forårsaket av utfelt litiummetall.
I tillegg kan bruken av litiummanganatmateriale også redusere kostnadene betydelig.
For å forbedre ytelsen til den eksisterende sikkerhetskontrollteknologien, må vi først forbedre sikkerhetsytelsen til litiumionbatterikjerne, som er spesielt viktig for batterier med stor kapasitet. Velg en membran med god termisk lukkeevne. Membranens rolle er å isolere de positive og negative polene til batteriet samtidig som det tillater passasje av litiumioner. Når temperaturen stiger, lukkes membranen før den smelter, noe som øker den indre motstanden til 2000 ohm og stenger den indre reaksjonen. Når det indre trykket eller temperaturen når den forhåndsinnstilte standarden, vil den eksplosjonssikre ventilen åpne og begynne å avlaste trykket for å forhindre overdreven akkumulering av intern gass, deformasjon og til slutt føre til at skallet sprekker. Forbedre kontrollfølsomheten, velg mer sensitive kontrollparametere og bruk den kombinerte kontrollen av flere parametere (noe som er spesielt viktig for batterier med stor kapasitet). For stor kapasitet litium ion batteripakke er en serie/parallell flere celle sammensetning, slik som bærbar datamaskin spenning er mer enn 10V, stor kapasitet, vanligvis ved bruk av 3 til 4 enkelt batteri serier kan møte spenningskravene, og deretter 2 til 3 serier av batteripakke parallelt, for å sikre stor kapasitet.
Selve batteripakken med høy kapasitet må være utstyrt med en relativt perfekt beskyttelsesfunksjon, og to typer kretskortmoduler bør også vurderes: ProtecTIONBoardPCB-modul og SmartBatteryGaugeBoard-modul. Hele batteribeskyttelsesdesignet inkluderer: nivå 1 beskyttelse IC (hindre batterioverlading, overutlading, kortslutning), nivå 2 beskyttelse IC (hindre andre overspenning), sikring, LED-indikator, temperaturregulering og andre komponenter. Under flernivåbeskyttelsesmekanismen, selv i tilfelle av unormal strømlader og bærbar datamaskin, kan den bærbare batteriet bare byttes til automatisk beskyttelsestilstand. Hvis situasjonen ikke er alvorlig, fungerer den ofte normalt etter å ha blitt plugget og fjernet uten eksplosjon.
Den underliggende teknologien som brukes i litium-ion-batterier som brukes i bærbare datamaskiner og mobiltelefoner er utrygg, og sikrere strukturer må vurderes.
Som konklusjon, med fremgangen innen materialteknologi og utdyping av folks forståelse av kravene til design, produksjon, testing og bruk av litiumionbatterier, vil fremtiden til litiumionbatterier bli tryggere.
Innleggstid: Mar-07-2022