Lithium-ion batteri egenskaber

Lithium er det mindste og mest aktive metal i det kemiske periodiske system. På grund af dens lille størrelse og høje kapacitetstæthed er den meget velkommen af ​​forbrugere og ingeniører. De kemiske egenskaber er dog for aktive, hvilket medfører ekstremt høje risici. Når lithiummetal udsættes for luft, vil det reagere voldsomt med ilt og eksplodere. For at forbedre sikkerheden og spændingen opfandt forskere materialer som grafit og lithiumkoboltoxid til at lagre lithiumatomer. Den molekylære struktur af disse materialer danner et lille lagergitter på nanoniveau, der kan bruges til at opbevare lithiumatomer. På den måde vil iltmolekylerne blive for store til at komme ind i disse små lagerceller, selv om batteriskallen brister og ilt trænger ind, så lithium-atomer ikke kommer i kontakt med ilt og undgår eksplosion. Dette princip med lithium-ion-batterier gør det muligt for folk at opnå sikkerhed og samtidig opnå høj kapacitetstæthed.

En elektrisk eksplosionssikker test

Når et lithium-ion-batteri oplades, mister lithium-atomerne i den positive elektrode elektroner og oxideres til lithium-ioner. Lithiumioner svømmer til den negative elektrode gennem elektrolytten, kommer ind i den negative elektrodes lagercelle og opnår en elektron, som reduceres til lithiumatomer. Ved afladning er hele proceduren omvendt. For at forhindre, at batteriets positive og negative poler direkte berører og kortslutter, er der tilføjet et membranpapir med mange porer til batteriet for at forhindre kortslutning. Et godt membranpapir kan også automatisk lukke porerne, når batteritemperaturen er for høj, så lithium-ioner ikke kan passere igennem, så de kan bruge deres egen kampsport til at forebygge fare.

Safeguard

Efter at lithium-battericellen er overopladet til en spænding højere end 4.2V, vil bivirkninger begynde at forekomme. Jo højere overopladningsspænding, jo højere er risikoen. Når spændingen af ​​lithiumbattericellen er højere end 4.2V, er antallet af lithiumatomer tilbage i det positive elektrodemateriale mindre end halvdelen. På dette tidspunkt kollapser cellen ofte, hvilket forårsager et permanent fald i batterikapaciteten. Hvis du fortsætter med at lade, da cellen i den negative elektrode allerede er fyldt med lithiumatomer, vil efterfølgende lithiummetal ophobes på overfladen af ​​det negative elektrodemateriale. Disse lithiumatomer vil vokse dendritter fra overfladen af ​​den negative elektrode i retning af lithiumionerne. Disse lithiummetalkrystaller vil passere gennem separatorpapiret og kortslutte de positive og negative elektroder. Nogle gange eksploderer batteriet, før kortslutningen opstår. Dette skyldes, at under overopladningsprocessen vil elektrolytten og andre materialer revne for at producere gas, hvilket får batteriskallen eller trykventilen til at svulme og briste, hvilket tillader ilt at komme ind og reagere med lithiumatomerne, der er akkumuleret på overfladen af ​​den negative elektrode. Og så eksploderede. Derfor skal den øvre spændingsgrænse ved opladning af et lithiumbatteri indstilles, så der samtidig kan tages hensyn til batteriets levetid, kapacitet og sikkerhed. Den mest ideelle øvre grænse for ladespændingen er 4.2V. Der er også en lavere spændingsgrænse ved afladning af lithiumbatterier. Når cellespændingen er lavere end 2.4V, vil nogle materialer begynde at blive ødelagt. Også, da batteriet vil selvaflade, jo længere det er tilbage, jo lavere vil spændingen være. Derfor er det bedst ikke at stoppe, når batteriet er afladet til 2.4V. I den periode, hvor lithiumbatteriet er afladet fra 3.0V til 2.4V, udgør den frigivne energi kun omkring 3% af batteriets kapacitet. Derfor er 3.0V en ideel udladningsafskæringsspænding.

Ved op- og afladning er ud over spændingsgrænsen også strømgrænsen nødvendig. Når strømmen er for stor, vil lithiumioner ikke nå at komme ind i lagercellen og vil akkumulere på overfladen af ​​materialet. Efter at disse lithiumioner har opnået elektroner, vil de producere lithiumatomkrystaller på overfladen af ​​materialet, hvilket er det samme som overopladning, hvilket er farligt. Hvis batterihuset brister, vil det eksplodere.

Derfor skal beskyttelsen af ​​lithium-ion-batterier omfatte mindst tre elementer: den øvre grænse for ladespændingen, den nedre grænse for afladningsspændingen og den øvre grænse for strømmen. Generelt vil der i en lithium-batteripakke, ud over lithium-batterikernen, være et beskyttelseskort. Denne beskyttelsestavle giver hovedsageligt disse tre beskyttelser. Disse tre beskyttelser af beskyttelsestavlen er dog åbenbart ikke nok, og der er stadig hyppige eksplosioner af lithium-batterier rundt om i verden. For at sikre batterisystemets sikkerhed skal årsagen til batterieksplosionen analyseres mere omhyggeligt.

Eksplosionstypeanalyse

Typerne af battericelleeksplosion kan klassificeres i tre typer: ekstern kortslutning, intern kortslutning og overopladning. Ydersiden refererer her til ydersiden af ​​battericellen, inklusive kortslutninger forårsaget af dårlig intern isoleringsdesign af batteripakken.

Når der opstår en kortslutning på ydersiden af ​​cellen, og de elektroniske komponenter ikke kan afbryde kredsløbet, vil der blive genereret høj varme inde i cellen, hvilket vil få en del af elektrolytten til at fordampe og udvide batteriskallen. Når batteriets indre temperatur er så høj som 135 grader Celsius, vil et membranpapir af god kvalitet lukke porerne, den elektrokemiske reaktion vil blive afsluttet eller næsten afsluttet, strømmen vil falde kraftigt, og temperaturen vil langsomt falde, og dermed undgås en eksplosion. Dog er porelukningshastigheden for dårlig, eller porerne er slet ikke lukkede. Membranpapiret vil få batteritemperaturen til at fortsætte med at stige, mere elektrolyt vil fordampe, og til sidst vil batteriskallen blive knækket, eller endda vil batteritemperaturen blive øget til Materialet brænder og eksploderer. Den interne kortslutning er hovedsageligt forårsaget af graterne fra kobberfolien og aluminiumsfolien, der gennemborer membranen, eller de dendritiske krystaller af lithiumatomer, der gennemborer membranen. Disse små nålelignende metaller kan forårsage mikrokortslutninger. Da nålen er meget tynd og har en vis modstandsværdi, er strømmen ikke nødvendigvis stor.

Kobber- og aluminiumsfoliegraterne opstår under produktionsprocessen. Det observerbare fænomen er, at batteriet lækker for hurtigt, hvoraf det meste kan screenes af battericellefabrikken eller montagefabrikken. Desuden vil de på grund af de små grater nogle gange blive brændt, hvilket får batteriet til at vende tilbage til det normale. Derfor er sandsynligheden for eksplosion forårsaget af grat-mikrokortslutning ikke høj. Dette udsagn kan ses af, at der ofte er dårlige batterier med lav spænding kort efter opladning på diverse battericellefabrikker, men der er få eksplosioner, hvilket statistikker understøtter. Derfor er eksplosionen forårsaget af den interne kortslutning hovedsageligt forårsaget af overladning. For efter overopladning er der nålelignende lithiummetalkrystaller overalt på polstykket, punkteringspunktet er overalt, og mikrokortslutningen opstår overalt. Derfor vil batteritemperaturen gradvist stige, og endelig vil den høje temperatur få elektrolytten til at gasse. I dette tilfælde, uanset om temperaturen er for høj til at få materialet til at brænde og eksplodere, eller den ydre skal først er brudt, hvilket får luften til at trænge ind og oxidere lithiummetallet, er det en eksplosion.

Eksplosionen forårsaget af en intern kortslutning forårsaget af overopladning opstår dog ikke nødvendigvis på opladningstidspunktet. Det er muligt, at når batteritemperaturen ikke er høj nok til at brænde materialet, og den genererede gas ikke er nok til at knække batterihuset, vil forbrugeren stoppe opladningen og tage mobiltelefonen ud. På dette tidspunkt hæver varmen, der genereres af adskillige mikrokortslutninger, langsomt batteriets temperatur, og det eksploderer efter et stykke tid. Den almindelige beskrivelse af forbrugere er, at når de tager telefonen, opdager de, at telefonen er meget varm og eksploderer efter at have smidt den væk.

Baseret på ovenstående typer af eksplosioner kan vi fokusere på tre aspekter af eksplosionsbeskyttelse: forebyggelse af overladning, forebyggelse af eksterne kortslutninger og forbedring af cellesikkerhed. Blandt dem hører overladningsforebyggelse og ekstern kortslutningsforebyggelse til elektronisk beskyttelse, som har et større forhold til batterisystemdesign og batterisamling. Fokus for forbedring af battericellesikkerheden er kemisk og mekanisk beskyttelse, som har et større forhold til battericelleproducenter.