خصائص بطارية الليثيوم أيون

الليثيوم هو المعدن الأصغر والأكثر نشاطًا في الجدول الدوري الكيميائي. نظرًا لصغر حجمها وكثافتها العالية السعة ، فإنها ترحب على نطاق واسع من قبل المستهلكين والمهندسين. ومع ذلك ، فإن الخصائص الكيميائية نشطة للغاية ، مما يؤدي إلى مخاطر عالية للغاية. عندما يتعرض معدن الليثيوم للهواء ، فإنه يتفاعل بعنف مع الأكسجين وينفجر. من أجل تحسين السلامة والجهد ، اخترع العلماء مواد مثل الجرافيت وأكسيد الكوبالت الليثيوم لتخزين ذرات الليثيوم. يشكل التركيب الجزيئي لهذه المواد شبكة تخزين صغيرة على مستوى النانو يمكن استخدامها لتخزين ذرات الليثيوم. بهذه الطريقة ، حتى لو تمزق غلاف البطارية ودخل الأكسجين ، ستكون جزيئات الأكسجين كبيرة جدًا لدخول خلايا التخزين الصغيرة هذه ، بحيث لا تتلامس ذرات الليثيوم مع الأكسجين وتتجنب الانفجار. يمكّن مبدأ بطاريات الليثيوم أيون الناس من تحقيق السلامة مع تحقيق كثافة عالية السعة.

اختبار كهربائي مقاوم للانفجار

عندما يتم شحن بطارية ليثيوم أيون ، تفقد ذرات الليثيوم في القطب الموجب الإلكترونات وتتأكسد إلى أيونات الليثيوم. تسبح أيونات الليثيوم إلى القطب السالب من خلال الإلكتروليت ، وتدخل خلية تخزين القطب السالب ، وتحصل على إلكترون ، والذي يتحول إلى ذرات ليثيوم. عند التفريغ ، يتم عكس الإجراء بالكامل. من أجل منع القطبين الموجب والسالب للبطارية من اللمس المباشر وقصر الدائرة ، تمت إضافة ورق غشاء به العديد من المسام إلى البطارية لمنع حدوث قصر في الدائرة. يمكن لورق الغشاء الجيد أيضًا أن يغلق المسام تلقائيًا عندما تكون درجة حرارة البطارية عالية جدًا ، بحيث لا يمكن لأيونات الليثيوم المرور ، حتى يتمكنوا من استخدام فنون الدفاع عن النفس الخاصة بهم لمنع الخطر.

حماية

بعد الشحن الزائد لخلية بطارية الليثيوم إلى جهد أعلى من 4.2 فولت ، ستبدأ الآثار الجانبية في الحدوث. كلما زاد الجهد الزائد ، زادت المخاطر. عندما يكون جهد خلية بطارية الليثيوم أعلى من 4.2 فولت ، يكون عدد ذرات الليثيوم المتبقية في مادة القطب الموجب أقل من النصف. في هذا الوقت ، غالبًا ما تنهار الخلية ، مما يؤدي إلى انخفاض دائم في سعة البطارية. إذا واصلت الشحن ، نظرًا لأن خلية القطب السالب مملوءة بالفعل بذرات الليثيوم ، فإن معدن الليثيوم اللاحق سوف يتراكم على سطح مادة القطب السالب. ستنمو ذرات الليثيوم هذه التشعبات من سطح القطب السالب باتجاه اتجاه أيونات الليثيوم. ستمر بلورات معدن الليثيوم هذه عبر ورقة الفاصل وتقصر الدائرة الكهربائية الموجبة والسالبة. في بعض الأحيان تنفجر البطارية قبل حدوث ماس كهربائي. هذا لأنه أثناء عملية الشحن الزائد ، سوف يتشقق المنحل بالكهرباء والمواد الأخرى لإنتاج الغاز ، مما يتسبب في تضخم وتمزق غلاف البطارية أو صمام الضغط ، مما يسمح للأكسجين بالدخول والتفاعل مع ذرات الليثيوم المتراكمة على سطح القطب السالب. ثم انفجرت. لذلك ، عند شحن بطارية الليثيوم ، يجب ضبط الحد الأعلى للجهد بحيث يمكن أخذ عمر البطارية وسعتها وأمانها في الاعتبار في نفس الوقت. الحد الأعلى المثالي لجهد الشحن هو 4.2 فولت. يوجد أيضًا حد جهد أقل عند تفريغ بطاريات الليثيوم. عندما يكون جهد الخلية أقل من 2.4 فولت ، ستبدأ بعض المواد في التدمير. أيضًا ، نظرًا لأن البطارية سيتم تفريغها ذاتيًا ، فكلما بقيت أطول ، سيكون الجهد أقل. لذلك ، من الأفضل عدم التوقف عند تفريغ شحن البطارية إلى 2.4 فولت. خلال الفترة التي يتم فيها تفريغ بطارية الليثيوم من 3.0 فولت إلى 2.4 فولت ، تمثل الطاقة المنبعثة حوالي 3٪ فقط من سعة البطارية. لذلك ، 3.0 فولت هي جهد قطع تفريغ مثالي.

عند الشحن والتفريغ ، بالإضافة إلى حد الجهد ، يكون الحد الحالي ضروريًا أيضًا. عندما يكون التيار كبيرًا جدًا ، لن يكون لدى أيونات الليثيوم وقت لدخول خلية التخزين وسوف تتراكم على سطح المادة. بعد أن تحصل أيونات الليثيوم على إلكترونات ، فإنها ستنتج بلورات ذرات الليثيوم على سطح المادة ، وهو نفس الشحن الزائد ، وهو أمر خطير. إذا تمزق غلاف البطارية ، فسوف ينفجر.

لذلك ، يجب أن تتضمن حماية بطاريات الليثيوم أيون ثلاثة عناصر على الأقل: الحد الأعلى لجهد الشحن ، والحد الأدنى لجهد التفريغ ، والحد الأعلى للتيار. بشكل عام ، في حزمة بطارية الليثيوم ، بالإضافة إلى جوهر بطارية الليثيوم ، سيكون هناك لوحة واقية. يوفر هذا اللوح الواقي بشكل أساسي هذه الحماية الثلاثة. ومع ذلك ، من الواضح أن هذه الحماية الثلاثة للوحة الحماية ليست كافية ، ولا تزال هناك انفجارات متكررة لبطاريات الليثيوم حول العالم. لضمان سلامة نظام البطارية ، يجب تحليل سبب انفجار البطارية بعناية أكبر.

تحليل نوع الانفجار

يمكن تصنيف أنواع انفجار خلية البطارية إلى ثلاثة أنواع: ماس كهربائى خارجي ، ودائرة قصر داخلية ، وشحن زائد. يشير الجزء الخارجي هنا إلى الخارج لخلية البطارية ، بما في ذلك الدوائر القصيرة الناتجة عن تصميم العزل الداخلي الضعيف لحزمة البطارية.

عندما تحدث دائرة كهربائية قصيرة على السطح الخارجي للخلية وتفشل المكونات الإلكترونية في قطع الدائرة ، سيتم توليد حرارة عالية داخل الخلية ، مما يؤدي إلى تبخر جزء من الإلكتروليت وتوسيع غلاف البطارية. عندما تصل درجة الحرارة الداخلية للبطارية إلى 135 درجة مئوية ، فإن ورق الحجاب الحاجز عالي الجودة سيغلق المسام ، وينتهي التفاعل الكهروكيميائي أو ينتهي تقريبًا ، وينخفض ​​التيار بشكل حاد ، وتنخفض درجة الحرارة ببطء ، وبالتالي تجنب انفجار. ومع ذلك ، فإن معدل إغلاق المسام ضعيف للغاية ، أو أن المسام ليست مغلقة على الإطلاق. ستؤدي ورقة الحجاب الحاجز إلى استمرار ارتفاع درجة حرارة البطارية ، وسيتبخر المزيد من الإلكتروليت ، وفي النهاية سيتم كسر غلاف البطارية ، أو حتى درجة حرارة البطارية سترتفع إلى حروق المواد وانفجارها. تحدث الدائرة القصيرة الداخلية بشكل أساسي بسبب نتوءات رقائق النحاس وورق الألمنيوم التي تخترق الحجاب الحاجز ، أو البلورات المتشعبة لذرات الليثيوم التي تخترق الحجاب الحاجز. يمكن أن تتسبب هذه المعادن الصغيرة التي تشبه الإبرة في حدوث دوائر قصيرة متناهية الصغر. نظرًا لأن الإبرة رفيعة جدًا ولها قيمة مقاومة معينة ، فإن التيار ليس بالضرورة كبيرًا.

نتوءات رقائق الألمنيوم والنحاس تحدث أثناء عملية الإنتاج. الظاهرة الملحوظة هي أن البطارية تتسرب بسرعة كبيرة ، ويمكن فحص معظمها بواسطة مصنع خلايا البطارية أو مصنع التجميع. علاوة على ذلك ، بسبب النتوءات الصغيرة ، سيتم حرقها في بعض الأحيان ، مما يؤدي إلى عودة البطارية إلى وضعها الطبيعي. لذلك ، فإن احتمال حدوث انفجار ناتج عن ماس كهربائى لدغ ليست عالية. يمكن رؤية هذا البيان من حقيقة أنه غالبًا ما توجد بطاريات سيئة ذات جهد منخفض بعد وقت قصير من الشحن في العديد من مصانع خلايا البطاريات ، ولكن هناك القليل من الانفجارات التي تدعمها الإحصائيات. لذلك ، فإن الانفجار الناجم عن الدائرة القصيرة الداخلية ناتج بشكل أساسي عن الشحن الزائد. لأنه بعد الشحن الزائد ، توجد بلورات من معدن الليثيوم تشبه الإبرة في كل مكان على قطعة القطب ، ونقطة الثقب في كل مكان ، والدائرة القصيرة الدقيقة تحدث في كل مكان. لذلك ، سترتفع درجة حرارة البطارية تدريجيًا ، وفي النهاية ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تحول المنحل بالكهرباء إلى غاز. في هذه الحالة ، سواء كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا بحيث لا تتسبب في احتراق المادة وانفجارها ، أو تحطم الغلاف الخارجي أولاً ، مما يتسبب في دخول الهواء إلى معدن الليثيوم وأكسدته ، فهذا انفجار.

ومع ذلك ، فإن الانفجار الناجم عن ماس كهربائي داخلي بسبب الشحن الزائد لا يحدث بالضرورة في وقت الشحن. من الممكن أنه عندما لا تكون درجة حرارة البطارية عالية بما يكفي لحرق المواد والغاز المتولد غير كافٍ لكسر غلاف البطارية ، سيتوقف المستهلك عن الشحن ويخرج الهاتف المحمول. في هذا الوقت ، ترفع الحرارة الناتجة عن العديد من الدوائر القصيرة الصغيرة درجة حرارة البطارية ببطء ، وتنفجر بعد فترة من الزمن. الوصف الشائع للمستهلكين هو أنهم عندما يلتقطون الهاتف ، يجدون أن الهاتف ساخن جدًا وينفجر بعد التخلص منه.

بناءً على أنواع الانفجارات المذكورة أعلاه ، يمكننا التركيز على ثلاثة جوانب للحماية من الانفجار: منع الشحن الزائد ، ومنع حدوث ماس كهربائي خارجي ، وتحسين سلامة الخلايا. من بينها ، ينتمي منع الشحن الزائد ومنع ماس كهربائى الخارجي إلى الحماية الإلكترونية ، والتي لها علاقة أكبر بتصميم نظام البطارية وتجميع البطارية. ينصب تركيز تحسين سلامة خلايا البطارية على الحماية الكيميائية والميكانيكية ، والتي لها علاقة أكبر بمصنعي خلايا البطارية.