Litiumioniakun ominaisuudet

Litium on pienin ja aktiivisin metalli kemiallisessa jaksollisessa taulukossa. Pienen kokonsa ja suuren kapasiteettitiheytensä vuoksi kuluttajat ja insinöörit suhtautuvat siihen laajalti. Kemialliset ominaisuudet ovat kuitenkin liian aktiivisia, mikä tuo mukanaan erittäin suuria riskejä. Kun litiummetalli altistuu ilmalle, se reagoi kiivaasti hapen kanssa ja räjähtää. Turvallisuuden ja jännitteen parantamiseksi tutkijat keksivät materiaaleja, kuten grafiittia ja litiumkobolttioksidia litiumatomien varastointiin. Näiden materiaalien molekyylirakenne muodostaa nanotason pienen varastoverkon, jota voidaan käyttää litiumatomien varastointiin. Tällä tavalla, vaikka akun kuori repeytyisi ja happea pääsisi sisään, happimolekyylit ovat liian suuria päästäkseen näihin pieniin varastokennoihin, jotta litiumatomit eivät joudu kosketuksiin hapen kanssa ja vältytään räjähdältä. Tämän litiumioniakkujen periaatteen ansiosta ihmiset voivat saavuttaa turvallisuuden ja saavuttaa korkean kapasiteetin tiheyden.

Sähköräjähdyssuojattu testi

Kun litiumioniakkua ladataan, positiivisen elektrodin litiumatomit menettävät elektroneja ja hapettuvat litiumioneiksi. Litiumionit uivat negatiiviselle elektrodille elektrolyytin läpi, saapuvat negatiivisen elektrodin varastokennoon ja saavat elektronin, joka pelkistyy litiumatomeiksi. Purkamisen aikana koko toimenpide on päinvastainen. Jotta akun positiivinen ja negatiivinen napa ei koskettaisi suoraan ja joutuisi oikosulkuun, akkuun on lisätty kalvopaperi, jossa on monia huokosia oikosulun estämiseksi. Hyvä kalvopaperi voi myös automaattisesti sulkea huokoset, kun akun lämpötila on liian korkea, jotta litiumionit eivät pääse läpäisemään, jotta he voivat käyttää omia kamppailulajejaan vaaran ehkäisemiseksi.

turvata

Kun litiumakkukenno on ylilatautunut yli 4.2 V:n jännitteeseen, sivuvaikutuksia alkaa esiintyä. Mitä suurempi ylilatausjännite, sitä suurempi riski. Kun litiumakkukennon jännite on yli 4.2 V, positiivisessa elektrodimateriaalissa jäljellä olevien litiumatomien määrä on alle puolet. Tänä aikana kenno usein romahtaa, mikä aiheuttaa pysyvän akun kapasiteetin laskun. Jos jatkat lataamista, koska negatiivisen elektrodin kenno on jo täynnä litiumatomeja, seuraava litiummetalli kerääntyy negatiivisen elektrodin materiaalin pinnalle. Nämä litiumatomit kasvattavat dendriittejä negatiivisen elektrodin pinnalta litiumionien suuntaan. Nämä litiummetallikiteet kulkevat erotinpaperin läpi ja oikosulkevat positiivisen ja negatiivisen elektrodin. Joskus akku räjähtää ennen oikosulkua. Tämä johtuu siitä, että ylilatausprosessin aikana elektrolyytti ja muut materiaalit halkeilevat muodostaen kaasua, mikä aiheuttaa akun kuoren tai paineventtiilin turpoamisen ja repeytymisen, jolloin happi pääsee sisään ja reagoi negatiivisen elektrodin pinnalle kerääntyneiden litiumatomien kanssa. Ja sitten räjähti. Siksi litiumakkua ladattaessa on yläjännitteen raja asetettava niin, että akun käyttöikä, kapasiteetti ja turvallisuus voidaan ottaa huomioon samanaikaisesti. Ihanteellisin latausjännitteen yläraja on 4.2V. Litiumakkuja purettaessa on myös alempi jänniteraja. Kun kennojännite on alle 2.4 V, jotkin materiaalit alkavat tuhoutua. Lisäksi, koska akku purkautuu itsestään, mitä kauemmin se on jäljellä, sitä pienempi jännite on. Siksi on parasta olla pysähtymättä, kun akku on purettu 2.4 V:iin. Sinä aikana, kun litiumakku puretaan 3.0 V:sta 2.4 V:iin, vapautuva energia on vain noin 3 % akun kapasiteetista. Siksi 3.0 V on ihanteellinen purkauksen katkaisujännite.

Ladattaessa ja purettaessa tarvitaan jänniterajan lisäksi myös virtaraja. Kun virta on liian suuri, litiumionit eivät ehdi päästä varastokennoon ja kerääntyvät materiaalin pinnalle. Kun nämä litiumionit ovat saaneet elektroneja, ne tuottavat litiumatomikiteitä materiaalin pinnalle, mikä on sama asia kuin ylivarautuminen, mikä on vaarallista. Jos akun kotelo repeytyy, se räjähtää.

Siksi litiumioniakkujen suojaukseen tulee sisältyä vähintään kolme kohtaa: latausjännitteen yläraja, purkausjännitteen alaraja ja virran yläraja. Yleensä litiumakussa on litiumakun ytimen lisäksi suojalevy. Tämä suojalevy tarjoaa pääasiassa nämä kolme suojaa. Nämä kolme suojalevyn suojausta eivät kuitenkaan selvästikään riitä, ja litiumakkuja räjähtää jatkuvasti ympäri maailmaa. Akkujärjestelmän turvallisuuden varmistamiseksi akun räjähdyksen syy on analysoitava tarkemmin.

Räjähdystyypin analyysi

Akkukennojen räjähdystyypit voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: ulkoinen oikosulku, sisäinen oikosulku ja ylilataus. Ulkopuolella tarkoitetaan tässä akkukennon ulkopuolta, mukaan lukien oikosulut, jotka johtuvat akun huonosta sisäisestä eristyssuunnittelusta.

Kun kennon ulkopuolella tapahtuu oikosulku ja elektroniset komponentit eivät katkaise piiriä, kennon sisällä muodostuu korkeaa lämpöä, mikä saa osan elektrolyytistä höyrystymään ja laajentamaan akun kuorta. Kun akun sisälämpötila on jopa 135 celsiusastetta, hyvälaatuinen kalvopaperi sulkee huokoset, sähkökemiallinen reaktio päättyy tai melkein päättyy, virta laskee jyrkästi ja lämpötila laskee hitaasti, jolloin vältetään räjähdys. Huokosten sulkeutumisnopeus on kuitenkin liian heikko tai huokoset eivät ole sulkeutuneet ollenkaan. Kalvopaperi saa akun lämpötilan nousemaan edelleen, enemmän elektrolyyttiä höyrystyy ja lopulta akun kuori rikkoutuu tai jopa akun lämpötila nousee tasoon. Materiaali palaa ja räjähtää. Sisäinen oikosulku johtuu pääasiassa kalvon lävistävistä kuparikalvon ja alumiinifolion purseista tai kalvon lävistyksistä litiumatomien dendriittikiteistä. Nämä pienet neulamaiset metallit voivat aiheuttaa mikrooikosulkuja. Koska neula on hyvin ohut ja sillä on tietty vastusarvo, virta ei välttämättä ole suuri.

Kupari- ja alumiinifolion purseet syntyvät tuotantoprosessin aikana. Havaittava ilmiö on, että akku vuotaa liian nopeasti, josta suurin osa voidaan suojata akkukennotehtaan tai kokoonpanotehtaan toimesta. Lisäksi pienten purseiden takia ne joskus palavat, jolloin akku palautuu normaaliksi. Siksi purseen mikrooikosulun aiheuttaman räjähdyksen todennäköisyys ei ole suuri. Tämä väite näkyy siitä, että usein eri akkukennotehtaissa on huonoja akkuja, joiden jännite on alhainen pian latauksen jälkeen, mutta räjähdyksiä on vähän, mitä tilastot tukevat. Siksi sisäisen oikosulun aiheuttama räjähdys johtuu pääasiassa ylilatauksesta. Koska ylilatauksen jälkeen napakappaleessa on kaikkialla neulamaisia ​​litiummetallikiteitä, puhkaisukohta on kaikkialla ja mikrooikosulku tapahtuu kaikkialla. Siksi akun lämpötila nousee vähitellen ja lopulta korkea lämpötila saa elektrolyytin kaasuuntumaan. Tässä tapauksessa kyseessä on räjähdys, onko lämpötila liian korkea aiheuttamaan materiaalin palamisen ja räjähtämisen, tai sitten ulkokuori rikkoutuu ensin, jolloin ilma pääsee hapettumaan litiummetalliin.

Ylilatauksen aiheuttaman sisäisen oikosulun aiheuttama räjähdys ei kuitenkaan välttämättä tapahdu lataushetkellä. On mahdollista, että kun akun lämpötila ei ole tarpeeksi korkea polttamaan materiaalia ja syntyvä kaasu ei riitä rikkomaan akun koteloa, kuluttaja lopettaa lataamisen ja ottaa matkapuhelimen pois. Tällä hetkellä lukuisten mikrooikosulkujen synnyttämä lämpö nostaa hitaasti akun lämpötilaa ja se räjähtää tietyn ajan kuluttua. Yleisin kuvaus kuluttajista on, että kun he ottavat puhelimen käteensä, he huomaavat puhelimen olevan erittäin kuuma ja räjähtää sen poisheittämisen jälkeen.

Yllä olevien räjähdystyyppien perusteella voimme keskittyä kolmeen räjähdyssuojauksen näkökohtaan: ylilatauksen estoon, ulkoisten oikosulkujen estämiseen ja kennoturvallisuuden parantamiseen. Niistä ylilatauksen esto ja ulkoisen oikosulun esto kuuluvat elektroniseen suojaukseen, jolla on suurempi suhde akkujärjestelmän suunnitteluun ja akun kokoonpanoon. Akkukennojen turvallisuuden parantamisen painopiste on kemiallisessa ja mekaanisessa suojauksessa, jolla on suurempi suhde akkukennojen valmistajien kanssa.