Литиевые батареи являются самой быстрорастущей аккумуляторной системой за последние 20 лет и широко используются в электронных продуктах.Недавний взрыв мобильных телефонов и ноутбуков, по сути, является взрывом аккумуляторов.Как выглядят аккумуляторы сотовых телефонов и ноутбуков, как они работают, почему взрываются и как этого избежать.
Побочные эффекты начинают проявляться, когда литиевый элемент перезаряжается до напряжения выше 4,2 В.Чем выше избыточное давление, тем выше риск.При напряжении выше 4,2 В, когда в материале катода остается менее половины атомов лития, аккумуляторная ячейка часто разрушается, вызывая необратимое снижение емкости батареи.Если заряд продолжится, последующие металлы лития будут накапливаться на поверхности катодного материала, поскольку аккумуляторная ячейка катода уже заполнена атомами лития.Эти атомы лития выращивают дендритные кристаллы от поверхности катода в направлении ионов лития.Кристаллы лития пройдут через бумагу диафрагмы, закорачивая анод и катод.Иногда аккумулятор взрывается до того, как происходит короткое замыкание.Это связано с тем, что во время процесса перезарядки такие материалы, как электролиты, растрескиваются с образованием газа, который приводит к разбуханию и взрыву корпуса аккумулятора или клапана давления, позволяя кислороду вступать в реакцию с атомами лития, скопившимися на поверхности отрицательного электрода, и взрываться.
Поэтому при зарядке литиевой батареи необходимо установить верхний предел напряжения, чтобы учитывать срок службы, емкость и безопасность батареи.Идеальный верхний предел зарядного напряжения составляет 4,2 В.Также должен быть установлен нижний предел напряжения при разряде литиевых элементов.Когда напряжение элемента падает ниже 2,4 В, часть материала начинает разрушаться.А поскольку аккумулятор будет саморазряжаться, чем дольше ставьте, тем ниже будет напряжение, поэтому лучше не разряжать 2,4В, чтобы остановиться.При напряжении от 3,0 В до 2,4 В литиевые батареи отдают лишь около 3% своей емкости.Следовательно, 3,0 В — идеальное напряжение отсечки разряда.При зарядке и разрядке помимо ограничения по напряжению необходимо также ограничение по току.При слишком высоком токе ионы лития не успевают проникнуть в аккумуляторную ячейку, скапливаются на поверхности материала.
По мере того, как эти ионы приобретают электроны, они кристаллизуют атомы лития на поверхности материала, что может быть так же опасно, как и перезаряд.Если корпус батареи сломается, он взорвется.Следовательно, защита литий-ионного аккумулятора должна, по крайней мере, включать верхний предел напряжения зарядки, нижний предел напряжения разрядки и верхний предел тока.В общем, в дополнение к сердечнику литиевой батареи будет защитная пластина, которая в основном обеспечивает защиту этих трех элементов.Тем не менее, защитной пластины этих трех защит явно недостаточно, глобальные события взрыва литиевой батареи или частые.Для обеспечения безопасности аккумуляторных систем необходим более тщательный анализ причин взрывов аккумуляторов.
Причина взрыва:
1. Большая внутренняя поляризация;
2.Полюсный наконечник поглощает воду и вступает в реакцию с барабаном с электролитным газом;
3.Качество и работоспособность самого электролита;
4. Количество впрыскиваемой жидкости не соответствует технологическим требованиям;
5. В процессе подготовки качество уплотнения лазерной сварки плохое, и обнаруживается утечка воздуха.
6. Пыль и пыль от полюсных частей легко вызывают микрокороткие замыкания;
7. Положительная и отрицательная пластина толще, чем технологический диапазон, ее трудно очистить;
8. Проблема с уплотнением при впрыске жидкости, плохая герметичность стального шарика ведет к газовому барабану;
9. Стенка входящего материала оболочки слишком толстая, деформация оболочки влияет на толщину;
10. Высокая температура окружающей среды также является основной причиной взрыва.
Тип взрыва
Анализ типа взрыва Типы взрыва сердечника батареи можно классифицировать как внешнее короткое замыкание, внутреннее короткое замыкание и перезаряд.Под внешним здесь подразумевается внешняя часть элемента, включая короткое замыкание, вызванное плохой конструкцией изоляции внутреннего аккумуляторного блока.Когда происходит короткое замыкание вне элемента, и электронные компоненты не могут разъединить петлю, элемент генерирует сильное тепло внутри, вызывая испарение части электролита, оболочки батареи.Когда внутренняя температура батареи достигает 135 градусов Цельсия, диафрагменная бумага хорошего качества закроет мелкое отверстие, электрохимическая реакция прекращается или почти прекращается, ток падает, а температура также медленно падает, что позволяет избежать взрыва. .Но бумажная диафрагма с плохой скоростью закрытия или та, которая вообще не закрывается, будет сохранять батарею теплой, испарять больше электролита и в конечном итоге лопнет корпус батареи или даже повысит температуру батареи до такой степени, что материал сгорит. и взрывается.Внутреннее короткое замыкание в основном вызвано заусенцами медной и алюминиевой фольги, пронизывающими диафрагму, или дендритными кристаллами атомов лития, пронизывающими диафрагму.
Эти крошечные игольчатые металлы могут вызывать микрокороткие замыкания.Поскольку игла очень тонкая и имеет определенное значение сопротивления, ток не обязательно будет очень большим.Заусенцы медно-алюминиевой фольги возникают в процессе производства.Наблюдаемое явление заключается в том, что батарея протекает слишком быстро, и большинство из них можно отсеять на заводах по производству элементов или сборочных предприятиях.А поскольку заусенцы маленькие, они иногда сгорают, возвращая аккумулятор в нормальное состояние.Таким образом, вероятность взрыва, вызванного микрозамыканием заусенца, невелика.Такая точка зрения, часто может заряжать изнутри каждого завода по производству ячеек, напряжение на низком аккумуляторе, но редко взрыв, получает статистическую поддержку.Таким образом, взрыв, вызванный внутренним коротким замыканием, в основном вызван перезарядом.Поскольку на перезаряженном заднем электродном листе повсюду имеются игольчатые кристаллы металлического лития, повсюду есть точки прокола и повсюду происходит микрокороткое замыкание.Таким образом, температура элемента будет постепенно повышаться, и, наконец, высокая температура приведет к образованию электролитного газа.Эта ситуация, если температура слишком высока, чтобы вызвать взрыв сгорания материала, или оболочка была сначала сломана, так что воздух внутри и сильное окисление металлического лития являются концом взрыва.
Но такой взрыв, вызванный внутренним коротким замыканием, вызванным перезарядкой, не обязательно происходит во время зарядки.Вполне возможно, что потребители перестанут заряжаться и вынут свои телефоны до того, как батарея нагреется настолько, чтобы сжечь материалы и выделить достаточно газа, чтобы взорвать корпус батареи.Тепло, выделяемое многочисленными короткими замыканиями, медленно нагревает батарею и через некоторое время взрывается.Потребители обычно описывают, что они взяли телефон и обнаружили, что он очень горячий, затем выбросили его и взорвались.Основываясь на вышеупомянутых типах взрыва, мы можем сосредоточиться на предотвращении перезаряда, предотвращении внешнего короткого замыкания и повышении безопасности элемента.Среди них предотвращение перезаряда и внешнего короткого замыкания относится к электронной защите, которая во многом связана с конструкцией аккумуляторной системы и аккумуляторного блока.Ключевым моментом повышения безопасности элементов является химическая и механическая защита, которая имеет хорошие отношения с производителями элементов.
Безопасная скрытая проблема
Безопасность литий-ионного аккумулятора связана не только с природой самого материала элемента, но также с технологией изготовления и использования аккумулятора.Аккумуляторы мобильных телефонов часто взрываются, с одной стороны, из-за выхода из строя схемы защиты, но, что более важно, материальный аспект не решил проблему кардинально.
Активный материал литиевого катода кобальтовой кислоты представляет собой очень зрелую систему в небольших батареях, но после полной зарядки на аноде все еще остается много ионов лития, при перезарядке ожидается, что оставшиеся на аноде ионы лития стекаются к аноду. , образуется на катодном дендрите при использовании литиевой батареи с кобальтовой кислотой, следствие перезаряда литиевой батареи, даже в нормальном процессе зарядки и разрядки, также может быть избыток ионов лития, свободно перемещающихся к отрицательному электроду с образованием дендритов.Теоретическая удельная энергия материала кобалата лития составляет более 270 мАч/г, но фактическая емкость составляет лишь половину теоретической емкости, необходимой для обеспечения его циклических характеристик.В процессе использования по какой-либо причине (например, повреждение системы управления) и слишком высокому напряжению зарядки аккумулятора оставшаяся часть лития в положительном электроде будет удалена через электролит на поверхность отрицательного электрода в форма осаждения металлического лития с образованием дендритов.Дендриты прокалывают диафрагму, создавая внутреннее короткое замыкание.
Основным компонентом электролита является карбонат, имеющий низкую температуру вспышки и низкую температуру кипения.При определенных условиях он сгорит или даже взорвется.Если аккумулятор перегреется, это приведет к окислению и восстановлению карбоната в электролите, что приведет к образованию большого количества газа и выделению большего количества тепла.Если предохранительный клапан отсутствует или газ не выходит через предохранительный клапан, внутреннее давление аккумулятора резко возрастет и приведет к взрыву.
Литий-ионный аккумулятор с полимерным электролитом принципиально не решает проблему безопасности, также используются литий-кобальтовая кислота и органический электролит, а электролит является коллоидным, не легко протекает, происходит более бурное горение, сгорание является самой большой проблемой безопасности полимерного аккумулятора.
Также есть некоторые проблемы с использованием аккумулятора.Внешнее или внутреннее короткое замыкание может вызвать чрезмерный ток в несколько сотен ампер.При возникновении внешнего короткого замыкания аккумулятор мгновенно разряжает большой ток, потребляя большое количество энергии и выделяя огромное количество тепла на внутреннем сопротивлении.Внутреннее короткое замыкание образует большой ток, и температура повышается, вызывая плавление диафрагмы и расширение области короткого замыкания, образуя тем самым порочный круг.
Литий-ионный аккумулятор, чтобы достичь высокого рабочего напряжения одной ячейки 3 ~ 4,2 В, должен принимать разложение напряжения выше, чем 2 В органического электролита, а использование органического электролита в условиях сильного тока, высоких температур будет электролизным, электролитическим. газ, что приведет к увеличению внутреннего давления, серьезно прорвет оболочку.
Перезаряд может привести к выделению металлического лития, в случае разрыва корпуса, прямого контакта с воздухом, что приведет к возгоранию, одновременному воспламенению электролита, сильному пламени, быстрому расширению газа, взрыву.
Кроме того, литий-ионный аккумулятор мобильного телефона из-за неправильного использования, такого как экструзия, удар и попадание воды, приводит к расширению аккумулятора, деформации, растрескиванию и т. д., что приводит к короткому замыканию аккумулятора в процессе разряда или зарядки. за счет теплового взрыва.
Безопасность литиевых батарей:
Чтобы избежать переразряда или перезаряда, вызванного неправильным использованием, в одиночной литий-ионной батарее установлен механизм тройной защиты.Одним из них является использование переключающих элементов: когда температура батареи повышается, ее сопротивление увеличивается, а когда температура слишком высока, автоматически прекращается подача питания;Во-вторых, нужно выбрать подходящий материал перегородки: когда температура повышается до определенного значения, микронные поры на перегородке автоматически растворяются, так что ионы лития не могут пройти, внутренняя реакция батареи прекращается;Третий — установить предохранительный клапан (то есть вентиляционное отверстие в верхней части аккумулятора).Когда внутреннее давление аккумулятора поднимется до определенного значения, предохранительный клапан автоматически откроется, чтобы обеспечить безопасность аккумулятора.
Иногда, хотя сама батарея имеет меры безопасности, но по каким-то причинам, вызванным сбоем управления, отсутствием предохранительного клапана или газом не успевает выйти через предохранительный клапан, внутреннее давление батареи резко возрастает и вызывает взрыв.Как правило, общая энергия, запасенная в литий-ионных батареях, обратно пропорциональна их безопасности.По мере увеличения емкости аккумулятора объем аккумулятора также увеличивается, а его характеристики рассеивания тепла ухудшаются, и вероятность несчастных случаев значительно возрастает.Для литий-ионных аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах, основным требованием является то, что вероятность несчастных случаев должна быть менее одного на миллион, что также является минимальным стандартом, приемлемым для населения.Для литий-ионных аккумуляторов большой емкости, особенно для автомобилей, очень важно применять принудительный отвод тепла.
Выбор более безопасных материалов электродов, материала из оксида лития и марганца, с точки зрения молекулярной структуры, чтобы гарантировать, что в состоянии полного заряда ионы лития в положительном электроде полностью внедрены в отрицательное углеродное отверстие, что принципиально позволяет избежать образования дендритов.В то же время, стабильная структура литий-марганцевой кислоты, так что ее эффективность окисления намного ниже, чем у литий-кобальтовой кислоты, температура разложения литий-кобальтовой кислоты более 100 ℃, даже из-за внешнего внешнего короткого замыкания (иглоукалывания), внешнего короткое замыкание, перезарядка также позволяют полностью избежать опасности возгорания и взрыва, вызванного осажденным металлическим литием.
Кроме того, использование материала манганата лития также может значительно снизить стоимость.
Чтобы улучшить эффективность существующей технологии контроля безопасности, мы должны сначала улучшить показатели безопасности сердечника литий-ионной батареи, что особенно важно для батарей большой емкости.Выбирайте диафрагму с хорошими характеристиками термического закрытия.Роль диафрагмы состоит в том, чтобы изолировать положительный и отрицательный полюсы батареи, обеспечивая при этом прохождение ионов лития.Когда температура повышается, мембрана закрывается до того, как расплавится, повышая внутреннее сопротивление до 2000 Ом и останавливая внутреннюю реакцию.Когда внутреннее давление или температура достигнет заданного стандарта, взрывозащищенный клапан откроется и начнет сбрасывать давление, чтобы предотвратить чрезмерное накопление внутреннего газа, деформацию и, в конечном итоге, привести к разрыву оболочки.Улучшите чувствительность управления, выберите более чувствительные параметры управления и используйте комбинированное управление несколькими параметрами (что особенно важно для батарей большой емкости).Литий-ионный аккумулятор большой емкости представляет собой последовательную/параллельную композицию из нескольких ячеек, например, напряжение ноутбука превышает 10 В, большая емкость, обычно использование 3-4 отдельных серий батарей может удовлетворить требования к напряжению, а затем 2-3 серии аккумуляторная батарея параллельна, чтобы обеспечить большую емкость.
Сам аккумулятор большой емкости должен иметь относительно совершенную функцию защиты, а также следует учитывать два типа модулей печатной платы: модуль ProtecTionBoardPCB и модуль SmartBatteryGaugeBoard.Вся конструкция защиты аккумулятора включает в себя: микросхему защиты уровня 1 (предотвращает перезарядку, переразрядку, короткое замыкание), микросхему защиты уровня 2 (предотвращает второе перенапряжение), предохранитель, светодиодный индикатор, регулятор температуры и другие компоненты.В соответствии с механизмом многоуровневой защиты, даже в случае неисправности зарядного устройства и ноутбука, аккумулятор ноутбука можно переключить только в состояние автоматической защиты.Если ситуация несерьезная, он часто работает нормально после подключения и удаления без взрыва.
Базовая технология, используемая в литий-ионных батареях, используемых в ноутбуках и мобильных телефонах, небезопасна, и необходимо рассмотреть возможность создания более безопасных конструкций.
В заключение, с развитием технологии материалов и углублением понимания людьми требований к проектированию, производству, испытаниям и использованию литий-ионных батарей, будущее литий-ионных батарей станет более безопасным.
Время публикации: 7 марта 2022 г.