Caratteristiche della batteria agli ioni di litio

Il litio è il metallo più piccolo e più attivo della tavola periodica chimica. A causa delle sue dimensioni ridotte e dell’elevata densità di capacità, è ampiamente apprezzato da consumatori e ingegneri. Tuttavia, le proprietà chimiche sono troppo attive, il che comporta rischi estremamente elevati. Quando il litio metallico è esposto all’aria, reagirà violentemente con l’ossigeno ed esploderà. Al fine di migliorare la sicurezza e il voltaggio, gli scienziati hanno inventato materiali come grafite e ossido di cobalto di litio per immagazzinare atomi di litio. La struttura molecolare di questi materiali forma una piccola griglia di stoccaggio di livello nanometrico che può essere utilizzata per immagazzinare atomi di litio. In questo modo, anche se il guscio della batteria si rompe e l’ossigeno entra, le molecole di ossigeno saranno troppo grandi per entrare in queste piccole celle di stoccaggio, in modo che gli atomi di litio non entrino in contatto con l’ossigeno ed evitino l’esplosione. Questo principio delle batterie agli ioni di litio consente alle persone di raggiungere la sicurezza raggiungendo un’elevata densità di capacità.

Un test elettrico a prova di esplosione

Quando una batteria agli ioni di litio viene caricata, gli atomi di litio nell’elettrodo positivo perdono elettroni e vengono ossidati a ioni di litio. Gli ioni di litio nuotano verso l’elettrodo negativo attraverso l’elettrolita, entrano nella cella di stoccaggio dell’elettrodo negativo e ottengono un elettrone, che viene ridotto ad atomi di litio. Quando si scarica, l’intera procedura viene invertita. Per evitare che i poli positivo e negativo della batteria si tocchino direttamente e vadano in cortocircuito, alla batteria viene aggiunta una carta diaframma con molti pori per evitare cortocircuiti. Una buona carta diaframma può anche chiudere automaticamente i pori quando la temperatura della batteria è troppo alta, in modo che gli ioni di litio non possano passare, in modo che possano usare le proprie arti marziali per prevenire il pericolo.

Salvaguardia

After the lithium battery cell is overcharged to a voltage higher than 4.2V, side effects will begin to occur. The higher the overcharge voltage, the higher the risk. When the voltage of the lithium battery cell is higher than 4.2V, the number of lithium atoms remaining in the positive electrode material is less than half. At this time, the cell often collapses, causing a permanent decrease in battery capacity. If you continue to charge, since the cell of the negative electrode is already filled with lithium atoms, subsequent lithium metal will accumulate on the surface of the negative electrode material. These lithium atoms will grow dendrites from the surface of the negative electrode toward the direction of the lithium ions. These lithium metal crystals will pass through the separator paper and short-circuit the positive and negative electrodes. Sometimes the battery explodes before the short circuit occurs. This is because during the overcharging process, the electrolyte and other materials will crack to produce gas, causing the battery shell or pressure valve to swell and rupture, allowing oxygen to enter and react with the lithium atoms accumulated on the surface of the negative electrode. And then exploded. Therefore, when charging a lithium battery, the upper voltage limit must be set so that the battery life, capacity, and safety can be taken into account at the same time. The most ideal upper limit of the charging voltage is 4.2V. There is also a lower voltage limit when discharging lithium batteries. When the cell voltage is lower than 2.4V, some materials will begin to be destroyed. Also, since the battery will self-discharge, the longer it is left, the lower the voltage will be. Therefore, it is best not to stop when the battery is discharged to 2.4V. During the period when the lithium battery is discharged from 3.0V to 2.4V, the energy released only accounts for about 3% of the battery capacity. Therefore, 3.0V is an ideal discharge cut-off voltage.

Durante la carica e la scarica, oltre al limite di tensione, è necessario anche il limite di corrente. Quando la corrente è troppo grande, gli ioni di litio non avranno il tempo di entrare nella cella di stoccaggio e si accumuleranno sulla superficie del materiale. Dopo che questi ioni di litio ottengono elettroni, produrranno cristalli di atomi di litio sulla superficie del materiale, il che equivale a un sovraccarico, che è pericoloso. Se l’involucro della batteria si rompe, esploderà.

Pertanto, la protezione delle batterie agli ioni di litio deve comprendere almeno tre elementi: il limite superiore della tensione di carica, il limite inferiore della tensione di scarica e il limite superiore della corrente. In generale, in un pacco batteria al litio, oltre al nucleo della batteria al litio, sarà presente una scheda protettiva. Questa scheda protettiva fornisce principalmente queste tre protezioni. Tuttavia, queste tre protezioni della scheda di protezione non sono ovviamente sufficienti, e sono ancora frequenti le esplosioni di batterie al litio in tutto il mondo. Per garantire la sicurezza del sistema di batterie, la causa dell’esplosione della batteria deve essere analizzata con maggiore attenzione.

Analisi del tipo di esplosione

I tipi di esplosione delle celle della batteria possono essere classificati in tre tipi: cortocircuito esterno, cortocircuito interno e sovraccarico. L’esterno qui si riferisce all’esterno della cella della batteria, compresi i cortocircuiti causati da un design di isolamento interno scadente del pacco batteria.

Quando si verifica un cortocircuito all’esterno della cella e i componenti elettronici non riescono a interrompere il circuito, all’interno della cella verrà generato un calore elevato, che farà evaporare parte dell’elettrolita ed espandere il guscio della batteria. Quando la temperatura interna della batteria raggiunge i 135 gradi Celsius, una carta a diaframma di buona qualità chiuderà i pori, la reazione elettrochimica sarà terminata o quasi terminata, la corrente diminuirà bruscamente e la temperatura diminuirà lentamente, evitando così un’esplosione. Tuttavia, il tasso di chiusura dei pori è troppo basso o i pori non sono affatto chiusi. La carta del diaframma farà sì che la temperatura della batteria continui ad aumentare, più elettrolita vaporizzerà e infine il guscio della batteria si romperà, o anche la temperatura della batteria aumenterà a Il materiale brucia ed esplode. Il cortocircuito interno è causato principalmente dalle sbavature del foglio di rame e del foglio di alluminio che perforano il diaframma, o dai cristalli dendritici degli atomi di litio che perforano il diaframma. Questi minuscoli metalli aghiformi possono causare micro cortocircuiti. Poiché l’ago è molto sottile e ha un certo valore di resistenza, la corrente non è necessariamente grande.

Le bave di rame e alluminio sono causate durante il processo di produzione. Il fenomeno osservabile è che la batteria perde troppo velocemente, la maggior parte delle quali può essere controllata dalla fabbrica di celle della batteria o dalla fabbrica di assemblaggio. Inoltre, a causa delle piccole sbavature, a volte si bruciano, facendo tornare la batteria alla normalità. Pertanto, la probabilità di esplosione causata da micro-cortocircuito bava non è elevata. Questa affermazione può essere vista dal fatto che ci sono spesso batterie difettose con bassa tensione poco dopo la ricarica in varie fabbriche di celle di batterie, ma ci sono poche esplosioni, il che è supportato dalle statistiche. Pertanto, l’esplosione causata dal cortocircuito interno è principalmente causata da un sovraccarico. Perché dopo il sovraccarico, ci sono cristalli di metallo di litio aghiformi ovunque sul polo, il punto di foratura è ovunque e il micro cortocircuito si verifica ovunque. Pertanto, la temperatura della batteria aumenterà gradualmente e infine l’alta temperatura farà gas l’elettrolita. In questo caso, se la temperatura è troppo alta per far bruciare ed esplodere il materiale, o se il guscio esterno viene prima rotto, causando l’ingresso di aria e ossidando il metallo di litio, si tratta di un’esplosione.

Tuttavia, l’esplosione causata da un cortocircuito interno causato dal sovraccarico non si verifica necessariamente al momento della ricarica. È possibile che quando la temperatura della batteria non è abbastanza alta da bruciare il materiale e il gas generato non è sufficiente per rompere l’involucro della batteria, il consumatore smetterà di caricarsi e tirerà fuori il telefono cellulare. In questo momento, il calore generato da numerosi microcortocircuiti aumenta lentamente la temperatura della batteria, che esplode dopo un periodo di tempo. La descrizione comune dei consumatori è che quando prendono il telefono, scoprono che il telefono è molto caldo ed esplode dopo averlo buttato via.

Sulla base dei suddetti tipi di esplosioni, possiamo concentrarci su tre aspetti della protezione dalle esplosioni: la prevenzione del sovraccarico, la prevenzione dei cortocircuiti esterni e il miglioramento della sicurezza delle celle. Tra questi, la prevenzione del sovraccarico e la prevenzione dei cortocircuiti esterni appartengono alla protezione elettronica, che ha una maggiore relazione con la progettazione del sistema di batterie e l’assemblaggio delle batterie. L’obiettivo del miglioramento della sicurezza delle celle della batteria è la protezione chimica e meccanica, che ha un rapporto più stretto con i produttori di celle della batteria.