Características de la batería de iones de litio

El litio es el metal más pequeño y activo de la tabla periódica química. Debido a su pequeño tamaño y alta densidad de capacidad, es ampliamente bienvenido por consumidores e ingenieros. Sin embargo, las propiedades químicas son demasiado activas, lo que conlleva riesgos extremadamente altos. Cuando el metal de litio se expone al aire, reacciona violentamente con el oxígeno y explota. Para mejorar la seguridad y el voltaje, los científicos inventaron materiales como el grafito y el óxido de litio y cobalto para almacenar átomos de litio. La estructura molecular de estos materiales forma una pequeña rejilla de almacenamiento a nivel nano que se puede utilizar para almacenar átomos de litio. De esta manera, incluso si la carcasa de la batería se rompe y entra oxígeno, las moléculas de oxígeno serán demasiado grandes para entrar en estas pequeñas celdas de almacenamiento, por lo que los átomos de litio no entrarán en contacto con el oxígeno y evitarán la explosión. Este principio de las baterías de iones de litio permite a las personas alcanzar la seguridad al tiempo que logran una alta densidad de capacidad.

Una prueba eléctrica a prueba de explosiones

Cuando se carga una batería de iones de litio, los átomos de litio del electrodo positivo pierden electrones y se oxidan a iones de litio. Los iones de litio nadan hacia el electrodo negativo a través del electrolito, entran en la celda de almacenamiento del electrodo negativo y obtienen un electrón, que se reduce a átomos de litio. Al descargar, todo el procedimiento se invierte. Para evitar que los polos positivo y negativo de la batería se toquen directamente y se cortocircuiten, se agrega un papel de diafragma con muchos poros a la batería para evitar cortocircuitos. Un buen papel de diafragma también puede cerrar automáticamente los poros cuando la temperatura de la batería es demasiado alta, de modo que los iones de litio no puedan pasar, de modo que puedan usar sus propias artes marciales para evitar el peligro.

Salvaguardar

Después de que la celda de la batería de litio se sobrecargue a un voltaje superior a 4.2 V, comenzarán a producirse efectos secundarios. Cuanto mayor sea el voltaje de sobrecarga, mayor será el riesgo. Cuando el voltaje de la celda de la batería de litio es superior a 4.2 V, el número de átomos de litio que quedan en el material del electrodo positivo es menos de la mitad. En este momento, la celda a menudo colapsa, provocando una disminución permanente de la capacidad de la batería. Si continúa cargando, dado que la celda del electrodo negativo ya está llena de átomos de litio, el metal de litio posterior se acumulará en la superficie del material del electrodo negativo. Estos átomos de litio desarrollarán dendritas desde la superficie del electrodo negativo hacia la dirección de los iones de litio. Estos cristales de metal de litio pasarán a través del papel separador y provocarán un cortocircuito en los electrodos positivo y negativo. A veces, la batería explota antes de que ocurra el cortocircuito. Esto se debe a que durante el proceso de sobrecarga, el electrolito y otros materiales se agrietarán para producir gas, lo que provocará que la carcasa de la batería o la válvula de presión se hinchen y se rompan, permitiendo que el oxígeno entre y reaccione con los átomos de litio acumulados en la superficie del electrodo negativo. Y luego explotó. Por lo tanto, al cargar una batería de litio, el límite de voltaje superior debe establecerse para que la vida útil, la capacidad y la seguridad de la batería se puedan tener en cuenta al mismo tiempo. El límite superior más ideal del voltaje de carga es 4.2V. También hay un límite de voltaje más bajo al descargar baterías de litio. Cuando el voltaje de la celda es inferior a 2.4 V, algunos materiales comenzarán a destruirse. Además, dado que la batería se autodescargará, cuanto más tiempo se deje, menor será el voltaje. Por lo tanto, es mejor no detenerse cuando la batería se descarga a 2.4V. Durante el período en el que la batería de litio se descarga de 3.0 V a 2.4 V, la energía liberada solo representa aproximadamente el 3% de la capacidad de la batería. Por lo tanto, 3.0 V es un voltaje de corte de descarga ideal.

Al cargar y descargar, además del límite de voltaje, también es necesario el límite de corriente. Cuando la corriente es demasiado grande, los iones de litio no tendrán tiempo de ingresar a la celda de almacenamiento y se acumularán en la superficie del material. Después de que estos iones de litio obtengan electrones, producirán cristales de átomos de litio en la superficie del material, que es lo mismo que la sobrecarga, que es peligrosa. Si la carcasa de la batería se rompe, explotará.

Por lo tanto, la protección de las baterías de iones de litio debe incluir al menos tres elementos: el límite superior del voltaje de carga, el límite inferior del voltaje de descarga y el límite superior de la corriente. En general, en un paquete de baterías de litio, además del núcleo de la batería de litio, habrá una placa protectora. Esta placa protectora proporciona principalmente estas tres protecciones. Sin embargo, estas tres protecciones de la placa de protección obviamente no son suficientes, y todavía hay frecuentes explosiones de baterías de litio en todo el mundo. Para garantizar la seguridad del sistema de batería, la causa de la explosión de la batería debe analizarse más detenidamente.

Análisis del tipo de explosión

Los tipos de explosión de la celda de la batería se pueden clasificar en tres tipos: cortocircuito externo, cortocircuito interno y sobrecarga. El exterior aquí se refiere al exterior de la celda de la batería, incluidos los cortocircuitos causados ​​por un diseño de aislamiento interno deficiente del paquete de baterías.

Cuando ocurre un cortocircuito en el exterior de la celda y los componentes electrónicos no cortan el circuito, se generará mucho calor dentro de la celda, lo que hará que parte del electrolito se vaporice y expanda la carcasa de la batería. Cuando la temperatura interna de la batería es tan alta como 135 grados Celsius, un papel de diafragma de buena calidad cerrará los poros, la reacción electroquímica terminará o casi terminará, la corriente caerá bruscamente y la temperatura bajará lentamente, evitando así una explosión. Sin embargo, la tasa de cierre de los poros es demasiado baja o los poros no se cierran en absoluto. El papel del diafragma hará que la temperatura de la batería continúe aumentando, se vaporizará más electrolito y, finalmente, la carcasa de la batería se romperá, o incluso la temperatura de la batería aumentará hasta que el material se quema y explota. El cortocircuito interno es causado principalmente por las rebabas de la hoja de cobre y la hoja de aluminio que perforan el diafragma, o los cristales dendríticos de átomos de litio que perforan el diafragma. Estos diminutos metales en forma de agujas pueden causar microcortocircuitos. Dado que la aguja es muy delgada y tiene un cierto valor de resistencia, la corriente no es necesariamente grande.

Las rebabas de cobre y papel de aluminio se producen durante el proceso de producción. El fenómeno observable es que la batería tiene fugas demasiado rápido, la mayoría de las cuales pueden ser examinadas por la fábrica de celdas de la batería o la fábrica de ensamblaje. Además, debido a las pequeñas rebabas, a veces se queman, lo que hace que la batería vuelva a la normalidad. Por lo tanto, la probabilidad de explosión causada por microcortocircuitos de rebabas no es alta. Esta afirmación se puede ver en el hecho de que a menudo hay baterías defectuosas con bajo voltaje poco después de la carga en varias fábricas de celdas de batería, pero hay pocas explosiones, lo que está respaldado por las estadísticas. Por lo tanto, la explosión causada por el cortocircuito interno se debe principalmente a una sobrecarga. Porque después de la sobrecarga, hay cristales de metal de litio en forma de aguja en todas partes de la pieza polar, el punto de punción está en todas partes y el micro cortocircuito ocurre en todas partes. Por lo tanto, la temperatura de la batería aumentará gradualmente y, finalmente, la temperatura alta hará que el electrolito se vuelva gas. En este caso, si la temperatura es demasiado alta para hacer que el material se queme y explote, o si la capa exterior se rompe primero, lo que hace que el aire entre y oxide el metal de litio, es una explosión.

Sin embargo, la explosión causada por un cortocircuito interno causado por la sobrecarga no ocurre necesariamente en el momento de la carga. Es posible que cuando la temperatura de la batería no sea lo suficientemente alta como para quemar el material y el gas generado no sea suficiente para romper la carcasa de la batería, el consumidor deje de cargar y saque el teléfono móvil. En este momento, el calor generado por numerosos micro-cortocircuitos eleva lentamente la temperatura de la batería y estalla después de un período de tiempo. La descripción común de los consumidores es que cuando levantan el teléfono, encuentran que el teléfono está muy caliente y explota después de tirarlo.

Basándonos en los tipos de explosiones anteriores, podemos centrarnos en tres aspectos de la protección contra explosiones: la prevención de sobrecargas, la prevención de cortocircuitos externos y la mejora de la seguridad de la celda. Entre ellos, la prevención de sobrecargas y la prevención de cortocircuitos externos pertenecen a la protección electrónica, que tiene una mayor relación con el diseño del sistema de batería y el montaje de la batería. El enfoque de la mejora de la seguridad de las celdas de batería es la protección química y mecánica, que tiene una mayor relación con los fabricantes de celdas de batería.