Lithium-ion battery characteristics

Lithium je nejmenší a nejaktivnější kov v chemické periodické tabulce. Díky své malé velikosti a vysoké kapacitě je široce vítán spotřebiteli a inženýry. Chemické vlastnosti jsou však příliš aktivní, což přináší extrémně vysoká rizika. Když je lithium vystaveno vzduchu, bude prudce reagovat s kyslíkem a exploduje. Aby se zlepšila bezpečnost a napětí, vědci vynalezli materiály, jako je grafit a oxid lithný a kobaltnatý pro ukládání atomů lithia. Molekulární struktura těchto materiálů tvoří malou úložnou mřížku na nanoúrovni, kterou lze použít k ukládání atomů lithia. Tímto způsobem, i když se obal baterie protrhne a kyslík se dostane dovnitř, molekuly kyslíku budou příliš velké na to, aby se dostaly do těchto malých zásobních článků, takže atomy lithia nepřijdou do kontaktu s kyslíkem a zabrání explozi. Tento princip lithium-iontových baterií umožňuje lidem dosáhnout bezpečnosti při dosažení vysoké hustoty kapacity.

Elektrický test odolnosti proti výbuchu

Když je lithium-iontová baterie nabitá, atomy lithia v kladné elektrodě ztrácejí elektrony a jsou oxidovány na ionty lithia. Lithiové ionty plavou k záporné elektrodě přes elektrolyt, vstupují do zásobní buňky záporné elektrody a získávají elektron, který se redukuje na atomy lithia. Při vybíjení je celý postup obrácený. Aby se zabránilo přímému dotyku kladných a záporných pólů baterie a jejich zkratování, je k baterii přidán membránový papír s mnoha póry, aby se zabránilo zkratu. Dobrý membránový papír může také automaticky uzavřít póry, když je teplota baterie příliš vysoká, takže ionty lithia nemohou projít skrz, takže mohou používat vlastní bojová umění, aby zabránili nebezpečí.

Zabezpečení

After the lithium battery cell is overcharged to a voltage higher than 4.2V, side effects will begin to occur. The higher the overcharge voltage, the higher the risk. When the voltage of the lithium battery cell is higher than 4.2V, the number of lithium atoms remaining in the positive electrode material is less than half. At this time, the cell often collapses, causing a permanent decrease in battery capacity. If you continue to charge, since the cell of the negative electrode is already filled with lithium atoms, subsequent lithium metal will accumulate on the surface of the negative electrode material. These lithium atoms will grow dendrites from the surface of the negative electrode toward the direction of the lithium ions. These lithium metal crystals will pass through the separator paper and short-circuit the positive and negative electrodes. Sometimes the battery explodes before the short circuit occurs. This is because during the overcharging process, the electrolyte and other materials will crack to produce gas, causing the battery shell or pressure valve to swell and rupture, allowing oxygen to enter and react with the lithium atoms accumulated on the surface of the negative electrode. And then exploded. Therefore, when charging a lithium battery, the upper voltage limit must be set so that the battery life, capacity, and safety can be taken into account at the same time. The most ideal upper limit of the charging voltage is 4.2V. There is also a lower voltage limit when discharging lithium batteries. When the cell voltage is lower than 2.4V, some materials will begin to be destroyed. Also, since the battery will self-discharge, the longer it is left, the lower the voltage will be. Therefore, it is best not to stop when the battery is discharged to 2.4V. During the period when the lithium battery is discharged from 3.0V to 2.4V, the energy released only accounts for about 3% of the battery capacity. Therefore, 3.0V is an ideal discharge cut-off voltage.

Při nabíjení a vybíjení je kromě napěťového limitu nutný i proudový limit. Když je proud příliš velký, lithiové ionty nestihnou vstoupit do akumulační buňky a budou se hromadit na povrchu materiálu. Poté, co tyto ionty lithia získají elektrony, vytvoří na povrchu materiálu krystaly atomu lithia, což je stejné jako přebíjení, což je nebezpečné. Pokud pouzdro baterie praskne, exploduje.

Ochrana lithium-iontových baterií proto musí zahrnovat minimálně tři položky: horní mez nabíjecího napětí, spodní mez vybíjecího napětí a horní mez proudu. Obecně platí, že v lithiové baterii bude kromě jádra lithiové baterie ochranná deska. Tato ochranná deska poskytuje především tyto tři ochrany. Tyto tři ochrany ochranné desky však evidentně nestačí a stále dochází k častým výbuchům lithiových baterií po celém světě. Aby byla zajištěna bezpečnost bateriového systému, musí být příčina exploze baterie analyzována pečlivěji.

Analýza typu výbuchu

Typy výbuchu bateriových článků lze rozdělit do tří typů: vnější zkrat, vnitřní zkrat a přebití. Vnějšek zde označuje vnější stranu bateriového článku, včetně zkratů způsobených špatnou konstrukcí vnitřní izolace bateriové sady.

Když dojde ke zkratu na vnější straně článku a elektronickým součástkám se nepodaří přerušit obvod, uvnitř článku se vytvoří vysoké teplo, které způsobí, že se část elektrolytu odpaří a rozšíří plášť baterie. Když je vnitřní teplota baterie až 135 stupňů Celsia, kvalitní membránový papír uzavře póry, elektrochemická reakce bude ukončena nebo téměř ukončena, proud prudce klesne a teplota bude pomalu klesat, čímž se zabrání exploze. Míra uzavření pórů je však příliš nízká nebo póry nejsou uzavřeny vůbec. Membránový papír způsobí, že teplota baterie bude nadále stoupat, více elektrolytu se bude odpařovat a nakonec se obal baterie rozbije, nebo se dokonce teplota baterie zvýší na Materiál hoří a exploduje. Vnitřní zkrat je způsoben především otřepy měděné fólie a hliníkové fólie prorážejícími membránu nebo dendritickými krystaly atomů lithia prorážejícími membránu. Tyto drobné jehlovité kovy mohou způsobit mikrozkraty. Protože jehla je velmi tenká a má určitou hodnotu odporu, proud nemusí být nutně velký.

Otřepy měděné a hliníkové fólie vznikají během výrobního procesu. Pozorovatelným jevem je, že baterie vytéká příliš rychle, z čehož většinu může zastínit továrna na baterie nebo montážní továrna. Navíc se kvůli malým otřepům někdy spálí, což způsobí, že se baterie vrátí do normálu. Pravděpodobnost exploze způsobené otřepovým mikrozkratem proto není vysoká. Toto tvrzení je patrné z toho, že v různých továrnách na baterie jsou často špatné baterie s nízkým napětím krátce po nabití, ale dochází k malým výbuchům, což dokládají statistiky. Výbuch způsobený vnitřním zkratem je proto způsoben především přebitím. Protože po přebití jsou všude na pólovém nástavci jehličkovité krystaly lithného kovu, místo vpichu je všude a mikro zkrat se vyskytuje všude. Proto bude teplota baterie postupně stoupat a nakonec vysoká teplota způsobí zplynování elektrolytu. V tomto případě, ať už je teplota příliš vysoká na to, aby způsobila spálení a explozi materiálu, nebo se nejprve rozbije vnější plášť, což způsobí, že vzduch vstoupí a zoxiduje lithiový kov, jde o explozi.

Výbuch způsobený vnitřním zkratem způsobeným přebíjením však nemusí nutně nastat v době nabíjení. Je možné, že když teplota baterie není dostatečně vysoká na spálení materiálu a vytvořený plyn nestačí na rozbití pouzdra baterie, spotřebitel přestane nabíjet a vyjme mobilní telefon. V tomto okamžiku teplo generované četnými mikrozkraty pomalu zvyšuje teplotu baterie a ta po určité době exploduje. Běžným popisem spotřebitelů je, že když telefon zvednou, zjistí, že je velmi horký a po odhození exploduje.

Na základě výše uvedených typů výbuchů se můžeme zaměřit na tři aspekty ochrany proti výbuchu: zabránění přebití, zabránění vnějším zkratům a zlepšení bezpečnosti článků. Mezi nimi ochrana proti přebití a vnější zabránění zkratu patří k elektronické ochraně, která má větší vztah k návrhu systému baterie a montáži baterie. Zvýšení bezpečnosti bateriových článků se zaměřuje na chemickou a mechanickou ochranu, která má větší vztah s výrobci bateriových článků.