Eigenschaften des Lithium-Ionen-Akkus

Lithium ist das kleinste und aktivste Metall im chemischen Periodensystem. Aufgrund seiner geringen Größe und hohen Kapazitätsdichte wird es von Verbrauchern und Ingenieuren weithin begrüßt. Allerdings sind die chemischen Eigenschaften zu aktiv, was extrem hohe Risiken mit sich bringt. Wenn Lithiummetall Luft ausgesetzt wird, reagiert es heftig mit Sauerstoff und explodiert. Um die Sicherheit und Spannung zu verbessern, erfanden Wissenschaftler Materialien wie Graphit und Lithium-Kobalt-Oxid, um Lithium-Atome zu speichern. Die molekulare Struktur dieser Materialien bildet ein kleines Speichergitter auf Nanoebene, das zur Speicherung von Lithiumatomen verwendet werden kann. Auf diese Weise sind die Sauerstoffmoleküle selbst dann, wenn die Batteriehülle zerbricht und Sauerstoff eindringt, zu groß, um in diese kleinen Speicherzellen einzudringen, sodass Lithiumatome nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommen und eine Explosion vermieden wird. Dieses Prinzip der Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht dem Menschen Sicherheit bei gleichzeitig hoher Kapazitätsdichte.

Ein elektrischer Explosionsschutztest

Beim Laden einer Lithium-Ionen-Batterie verlieren die Lithium-Atome in der positiven Elektrode Elektronen und werden zu Lithium-Ionen oxidiert. Lithiumionen schwimmen durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode, dringen in die Speicherzelle der negativen Elektrode ein und erhalten ein Elektron, das zu Lithiumatomen reduziert wird. Beim Entladen ist der ganze Vorgang umgekehrt. Um zu verhindern, dass sich die Plus- und Minuspole der Batterie direkt berühren und kurzschließen, wird der Batterie ein Membranpapier mit vielen Poren beigefügt, um einen Kurzschluss zu verhindern. Ein gutes Membranpapier kann auch bei zu hoher Batterietemperatur die Poren automatisch verschließen, sodass Lithium-Ionen nicht durchgelassen werden können, damit sie ihre eigenen Kampfkünste einsetzen können, um Gefahren abzuwehren.

Sichern

Nachdem die Lithiumbatteriezelle auf eine Spannung von mehr als 4.2 V überladen wurde, treten Nebenwirkungen auf. Je höher die Überladespannung, desto höher das Risiko. Wenn die Spannung der Lithiumbatteriezelle höher als 4.2 V ist, beträgt die Anzahl der im positiven Elektrodenmaterial verbleibenden Lithiumatome weniger als die Hälfte. Zu diesem Zeitpunkt kollabiert die Zelle oft, was zu einer dauerhaften Abnahme der Batteriekapazität führt. Da die Zelle der negativen Elektrode bereits mit Lithiumatomen gefüllt ist, reichert sich beim weiteren Aufladen nachfolgendes Lithiummetall auf der Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials an. Diese Lithiumatome werden Dendriten von der Oberfläche der negativen Elektrode in Richtung der Lithiumionen wachsen lassen. Diese Lithiummetallkristalle passieren das Trennpapier und schließen die positiven und negativen Elektroden kurz. Manchmal explodiert die Batterie, bevor der Kurzschluss auftritt. Dies liegt daran, dass der Elektrolyt und andere Materialien während des Überladevorgangs reißen, um Gas zu erzeugen, was dazu führt, dass der Batteriemantel oder das Druckventil anschwellen und reißen, wodurch Sauerstoff eindringen und mit den auf der Oberfläche der negativen Elektrode angesammelten Lithiumatomen reagieren kann. Und dann explodierte. Daher muss beim Laden einer Lithiumbatterie die obere Spannungsgrenze so eingestellt werden, dass gleichzeitig Batterielebensdauer, Kapazität und Sicherheit berücksichtigt werden können. Die idealste Obergrenze der Ladespannung beträgt 4.2 V. Auch beim Entladen von Lithiumbatterien gibt es eine untere Spannungsgrenze. Wenn die Zellspannung niedriger als 2.4 V ist, werden einige Materialien zerstört. Da sich die Batterie auch selbst entlädt, wird die Spannung umso niedriger, je länger sie verweilt. Daher ist es am besten, nicht zu stoppen, wenn der Akku auf 2.4 V entladen ist. In der Zeit, in der die Lithiumbatterie von 3.0 V auf 2.4 V entladen wird, macht die freigesetzte Energie nur etwa 3% der Batteriekapazität aus. Daher ist 3.0 V eine ideale Entladeschlussspannung.

Beim Laden und Entladen ist neben der Spannungsbegrenzung auch die Strombegrenzung notwendig. Wenn der Strom zu groß ist, haben Lithium-Ionen keine Zeit, in die Speicherzelle einzudringen und sammeln sich an der Oberfläche des Materials an. Nachdem diese Lithiumionen Elektronen erhalten haben, erzeugen sie Lithiumatomkristalle auf der Oberfläche des Materials, was einer gefährlichen Überladung gleichkommt. Wenn das Batteriegehäuse reißt, explodiert es.

Daher muss der Schutz von Lithium-Ionen-Batterien mindestens drei Punkte umfassen: die Obergrenze der Ladespannung, die Untergrenze der Entladespannung und die Obergrenze des Stroms. Im Allgemeinen befindet sich in einem Lithium-Batteriepack zusätzlich zum Lithium-Batteriekern eine Schutzplatine. Diese Schutzplatine bietet hauptsächlich diese drei Schutzfunktionen. Diese drei Schutzmaßnahmen der Schutzplatine reichen jedoch offensichtlich nicht aus, und es kommt immer noch zu häufigen Explosionen von Lithiumbatterien auf der ganzen Welt. Um die Sicherheit des Batteriesystems zu gewährleisten, muss die Ursache der Batterieexplosion genauer analysiert werden.

Analyse der Explosionsart

Die Arten der Batteriezellexplosion können in drei Typen eingeteilt werden: externer Kurzschluss, interner Kurzschluss und Überladung. Das Äußere bezieht sich hier auf das Äußere der Batteriezelle, einschließlich Kurzschlüssen, die durch eine schlechte Innenisolierung des Batteriepacks verursacht werden.

Wenn an der Außenseite der Zelle ein Kurzschluss auftritt und die elektronischen Komponenten den Stromkreis nicht unterbrechen, entsteht im Inneren der Zelle eine hohe Hitze, die dazu führt, dass ein Teil des Elektrolyten verdampft und das Batteriegehäuse ausdehnt. Wenn die Innentemperatur der Batterie 135 Grad Celsius beträgt, schließt ein hochwertiges Membranpapier die Poren, die elektrochemische Reaktion wird beendet oder fast beendet, der Strom fällt stark ab und die Temperatur sinkt langsam, wodurch vermieden wird eine Explosion. Die Porenschließgeschwindigkeit ist jedoch zu gering oder die Poren werden überhaupt nicht geschlossen. Das Membranpapier lässt die Batterietemperatur weiter ansteigen, mehr Elektrolyt verdampft und schließlich wird die Batteriehülle zerbrochen oder sogar die Batterietemperatur erhöht auf Das Material brennt und explodiert. Der interne Kurzschluss wird hauptsächlich durch die das Diaphragma durchstoßenden Grate der Kupfer- und Aluminiumfolie oder die das Diaphragma durchstoßenden dendritischen Kristalle von Lithiumatomen verursacht. Diese winzigen nadelartigen Metalle können Mikrokurzschlüsse verursachen. Da die Nadel sehr dünn ist und einen bestimmten Widerstandswert hat, ist der Strom nicht unbedingt groß.

Die Kupfer- und Aluminiumfoliengrate werden während des Produktionsprozesses verursacht. Das beobachtbare Phänomen ist, dass die Batterie zu schnell ausläuft, von denen die meisten von der Batteriezellenfabrik oder der Montagefabrik überprüft werden können. Darüber hinaus werden sie aufgrund der kleinen Grate manchmal verbrannt, wodurch sich die Batterie wieder normalisiert. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer durch einen Grat-Mikrokurzschluss verursachten Explosion nicht hoch. Diese Aussage lässt sich daran ablesen, dass es in diversen Batteriezellfabriken oft schon kurz nach dem Laden schlechte Batterien mit Unterspannung gibt, aber nur wenige Explosionen, was statistisch belegt ist. Daher wird die durch den internen Kurzschluss verursachte Explosion hauptsächlich durch Überladung verursacht. Denn nach der Überladung befinden sich überall auf dem Polschuh nadelförmige Lithiummetallkristalle, die Einstichstelle ist überall und der Mikrokurzschluss tritt überall auf. Daher steigt die Batterietemperatur allmählich an, und schließlich führt die hohe Temperatur dazu, dass der Elektrolyt gasförmig wird. In diesem Fall ist es eine Explosion, egal ob die Temperatur zu hoch ist, um das Material zu verbrennen und zu explodieren, oder die äußere Hülle zuerst zerbricht, wodurch die Luft in das Lithiummetall eindringt und oxidiert.

Die durch einen internen Kurzschluss verursachte Explosion durch Überladung tritt jedoch nicht unbedingt zum Zeitpunkt des Ladens auf. Wenn die Batterietemperatur nicht hoch genug ist, um das Material zu verbrennen, und das erzeugte Gas nicht ausreicht, um das Batteriegehäuse zu zerbrechen, kann der Verbraucher den Ladevorgang einstellen und das Mobiltelefon herausnehmen. Zu diesem Zeitpunkt erhöht die durch zahlreiche Mikrokurzschlüsse erzeugte Wärme die Temperatur der Batterie langsam und sie explodiert nach einiger Zeit. Die allgemeine Beschreibung von Verbrauchern ist, dass sie beim Abheben des Telefons feststellen, dass das Telefon sehr heiß ist und nach dem Wegwerfen explodiert.

Ausgehend von den oben genannten Explosionsarten können wir uns auf drei Aspekte des Explosionsschutzes konzentrieren: die Vermeidung von Überladung, die Vermeidung von externen Kurzschlüssen und die Verbesserung der Zellsicherheit. Unter ihnen gehören die Überladungsverhinderung und die externe Kurzschlussverhinderung zum elektronischen Schutz, der eine größere Beziehung zum Batteriesystemdesign und der Batteriemontage hat. Der Schwerpunkt der Verbesserung der Batteriezellensicherheit liegt auf dem chemischen und mechanischen Schutz, der eine stärkere Beziehung zu den Batteriezellherstellern hat.