Liitiumioonaku omadused

Liitium on keemilise perioodilisuse tabeli väikseim ja aktiivseim metall. Väikese suuruse ja suure mahutiheduse tõttu on see tarbijate ja inseneride seas laialdaselt teretulnud. Kuid keemilised omadused on liiga aktiivsed, mis toob kaasa äärmiselt suured riskid. Kui liitiummetall puutub kokku õhuga, reageerib see ägedalt hapnikuga ja plahvatab. Ohutuse ja pinge parandamiseks leiutasid teadlased liitiumiaatomite säilitamiseks selliseid materjale nagu grafiit ja liitiumkoobaltoksiid. Nende materjalide molekulaarstruktuur moodustab nanotasemel väikese salvestusvõrgu, mida saab kasutada liitiumiaatomite hoidmiseks. Sel viisil, isegi kui aku kest puruneb ja hapnik siseneb, on hapnikumolekulid liiga suured, et siseneda nendesse väikestesse säilitusrakkudesse, nii et liitiumi aatomid ei puutu hapnikuga kokku ja väldivad plahvatust. See liitiumioonakude põhimõte võimaldab inimestel saavutada ohutust, saavutades samal ajal suure mahutiheduse.

Elektriline plahvatuskindel katse

Liitiumioonaku laadimisel kaotavad positiivse elektroodi liitiumiaatomid elektronid ja oksüdeeritakse liitiumioonideks. Liitiumioonid ujuvad läbi elektrolüüdi negatiivse elektroodini, sisenevad negatiivse elektroodi salvestusrakku ja saavad elektroni, mis redutseeritakse liitiumi aatomiteks. Tühjendamisel on kogu protseduur vastupidine. Vältimaks aku positiivsete ja negatiivsete pooluste otsest kokkupuudet ja lühistamist, lisatakse akule lühise vältimiseks paljude pooridega membraanipaber. Hea diafragma paber suudab ka poorid automaatselt sulgeda, kui aku temperatuur on liiga kõrge, nii et liitiumioonid ei pääseks läbi, et nad saaksid ohu vältimiseks kasutada oma võitluskunste.

kaitsma

Pärast liitiumaku elemendi ülelaadimist üle 4.2 V pingeni hakkavad ilmnema kõrvaltoimed. Mida kõrgem on ülelaadimispinge, seda suurem on risk. Kui liitiumaku elemendi pinge on kõrgem kui 4.2 V, on positiivse elektroodi materjali jäänud liitiumiaatomite arv alla poole. Sel ajal kukub element sageli kokku, põhjustades püsiva aku mahutavuse vähenemise. Kui jätkate laadimist, kuna negatiivse elektroodi element on juba täidetud liitiumiaatomitega, koguneb negatiivne elektroodi materjali pinnale järgnev liitiummetall. Need liitiumiaatomid kasvatavad dendriite negatiivse elektroodi pinnalt liitiumioonide suunas. Need liitiummetalli kristallid läbivad eralduspaberi ja lühistavad positiivsed ja negatiivsed elektroodid. Mõnikord plahvatab aku enne lühise tekkimist. Selle põhjuseks on asjaolu, et ülelaadimisprotsessi käigus elektrolüüt ja muud materjalid pragunevad, tekitades gaasi, põhjustades aku kesta või rõhuklapi paisumist ja rebenemist, mis võimaldab hapnikul siseneda negatiivse elektroodi pinnale kogunenud liitiumiaatomitega ja reageerida nendega. Ja siis plahvatas. Seetõttu tuleb liitiumaku laadimisel seada ülemine pingepiirang nii, et oleks võimalik samaaegselt arvestada aku tööiga, mahutavust ja ohutust. Ideaalseim laadimispinge ülempiir on 4.2V. Liitiumakude tühjendamisel on ka pinge alumine piir. Kui elemendi pinge on madalam kui 2.4 V, hakkavad mõned materjalid hävima. Samuti, kuna aku tühjeneb isetühjenemist, siis mida kauem see seisma jääb, seda madalam on pinge. Seetõttu on parem mitte peatuda, kui aku on 2.4 V-ni tühjenenud. Perioodil, mil liitiumaku tühjeneb pingelt 3.0 V kuni 2.4 V, moodustab vabanev energia ainult umbes 3% aku mahust. Seetõttu on 3.0 V ideaalne tühjenemise katkestuspinge.

Laadimisel ja tühjendamisel on lisaks pingepiirangule vajalik ka voolupiirang. Liiga suure voolu korral ei ole liitiumioonidel aega säilituskambrisse siseneda ja need kogunevad materjali pinnale. Pärast nende liitiumioonide elektronide saamist tekitavad nad materjali pinnale liitiumiaatomi kristallid, mis on sama, mis ülelaadimine, mis on ohtlik. Kui aku korpus rebeneb, plahvatab see.

Seetõttu peab liitiumioonakude kaitse hõlmama vähemalt kolme elementi: laadimispinge ülempiir, tühjenduspinge alumine piir ja voolu ülempiir. Üldiselt on liitiumaku komplektis lisaks liitiumaku südamikule kaitseplaat. See kaitseplaat pakub peamiselt neid kolme kaitset. Nendest kolmest kaitseplaadi kaitsest aga ilmselgelt ei piisa ning liitiumpatareide plahvatusi toimub üle maailma endiselt sageli. Akusüsteemi ohutuse tagamiseks tuleb hoolikamalt analüüsida aku plahvatuse põhjust.

Plahvatuse tüübi analüüs

Akuelemendi plahvatuse tüübid võib jagada kolme tüüpi: väline lühis, sisemine lühis ja ülelaadimine. Väline viitab siin akuelemendi välispinnale, sealhulgas lühistele, mis on põhjustatud akuploki halvast sisemisest isolatsioonikonstruktsioonist.

Kui elemendi välisküljel tekib lühis ja elektroonilised komponendid ei suuda vooluahelat katkestada, tekib elemendi sees kõrge kuumus, mis põhjustab osa elektrolüüdist aurustumist ja aku kesta laienemist. Kui aku sisetemperatuur on kuni 135 kraadi Celsiuse järgi, sulgeb hea kvaliteediga diafragma paber poorid, elektrokeemiline reaktsioon lõpeb või peaaegu lõppeb, vool langeb järsult ja temperatuur langeb aeglaselt, vältides seega plahvatus. Pooride sulgumiskiirus on aga liiga halb või pole poorid üldse suletud. Diafragma paber põhjustab aku temperatuuri jätkuvat tõusu, rohkem elektrolüüti aurustub ja lõpuks aku kest puruneb või isegi aku temperatuur tõuseb kuni. Materjal põleb ja plahvatab. Sisemine lühis on peamiselt põhjustatud diafragmat läbistavate vaskfooliumi ja alumiiniumfooliumi pursetest või membraani läbistavatest liitiumiaatomite dendriitkristallidest. Need pisikesed nõelataolised metallid võivad põhjustada mikrolühiseid. Kuna nõel on väga õhuke ja teatud takistuse väärtusega, ei pruugi vool olla suur.

Vase- ja alumiiniumfooliumist pursked tekivad tootmisprotsessi käigus. Täheldatav nähtus on see, et aku lekib liiga kiiresti, millest enamiku saab akuelementide tehas või koostetehas varjata. Veelgi enam, väikeste rästide tõttu võivad need mõnikord põleda, mistõttu aku taastub normaalselt. Seetõttu pole mikrolühisest põhjustatud plahvatuse tõenäosus suur. Seda väidet näitab tõsiasi, et sageli on erinevates akuelementide tehastes varsti pärast laadimist madala pingega akusid, kuid plahvatusi on vähe, mida toetab ka statistika. Seetõttu on sisemisest lühisest põhjustatud plahvatus peamiselt põhjustatud ülelaadimisest. Kuna pärast ülelaadimist on pooluse tükil kõikjal nõelalaadsed liitiummetalli kristallid, torkekoht on kõikjal ja mikrolühis tekib igal pool. Seetõttu tõuseb aku temperatuur järk-järgult ja lõpuks põhjustab kõrge temperatuur elektrolüüdi gaasi. Sel juhul on tegemist plahvatusega, kas temperatuur on liiga kõrge, et põhjustada materjali põlemist ja plahvatust või puruneb esmalt välimine kest, mis põhjustab õhu sisenemise ja liitiummetalli oksüdeerumise.

Ülelaadimisest põhjustatud sisemisest lühisest põhjustatud plahvatus ei pruugi aga tekkida laadimise ajal. Võimalik, et kui aku temperatuur pole materjali põletamiseks piisavalt kõrge ja tekkivast gaasist ei piisa aku korpuse lõhkumiseks, lõpetab tarbija laadimise ja võtab mobiiltelefoni välja. Sel ajal tõstab arvukate mikrolühiste tekitatud soojus aeglaselt aku temperatuuri ja see plahvatab teatud aja möödudes. Tarbijate levinud kirjeldus on see, et telefoni kätte võttes avastavad nad, et telefon on väga kuum ja plahvatab pärast äraviskamist.

Ülaltoodud plahvatustüüpide põhjal saame keskenduda kolmele plahvatuskaitse aspektile: ülelaadimise vältimine, väliste lühiste vältimine ja raku ohutuse parandamine. Nende hulgas kuuluvad ülelaadimise vältimine ja välise lühise vältimine elektroonilise kaitse alla, millel on suurem seos akusüsteemi disaini ja aku kokkupanemisega. Akuelementide ohutuse suurendamise fookuses on keemiline ja mehaaniline kaitse, millel on suurem seos akuelementide tootjatega.