Lithium-ion battery characteristics

リチウムは、化学周期表で最も小さく、最も活性の高い金属です。 サイズが小さく、容量密度が高いため、消費者やエンジニアに広く歓迎されています。 ただし、化学的性質が活発すぎるため、非常に高いリスクが発生します。 リチウム金属が空気にさらされると、酸素と激しく反応して爆発します。 科学者たちは、安全性と電圧を向上させるために、リチウム原子を貯蔵するためのグラファイトやコバルト酸リチウムなどの材料を発明しました。 これらの材料の分子構造は、リチウム原子を貯蔵するために使用できるナノレベルの小さな貯蔵グリッドを形成します。 このように、バッテリーシェルが破裂して酸素が入ったとしても、酸素分子が大きすぎてこれらの小さな貯蔵セルに入ることができないため、リチウム原子が酸素と接触して爆発を防ぐことができません。 このリチウムイオン電池の原理により、人々は高い容量密度を達成しながら安全性を実現することができます。

電気防爆試験

リチウムイオン電池を充電すると、正極のリチウム原子が電子を失い、酸化されてリチウムイオンになります。 リチウムイオンは電解質を通って負極に泳ぎ、負極の貯蔵セルに入り、電子を取得します。電子はリチウム原子に還元されます。 放電するときは、手順全体が逆になります。 電池の正極と負極が直接接触して短絡するのを防ぐために、短絡を防ぐために多くの細孔を備えたダイアフラム紙が電池に追加されています。 優れたダイヤフラム紙は、バッテリーの温度が高すぎると自動的に細孔を塞ぎ、リチウムイオンが通過できないため、独自の武道を使用して危険を防ぐことができます。

セーフガード

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.

充電および放電時には、電圧制限に加えて、電流制限も必要です。 電流が大きすぎると、リチウムイオンは蓄電池に入る時間がなく、材料の表面に蓄積します。 これらのリチウムイオンは電子を獲得した後、材料の表面にリチウム原子の結晶を生成します。これは過充電と同じであり、危険です。 バッテリーケーシングが破裂すると、爆発します。

したがって、リチウムイオン電池の保護には、充電電圧の上限、放電電圧の下限、電流の上限のXNUMXつ以上の項目が含まれている必要があります。 一般的に、リチウム電池パックには、リチウム電池コアに加えて、保護ボードがあります。 この保護ボードは、主にこれらXNUMXつの保護を提供します。 ただし、保護ボードのこれらXNUMXつの保護は明らかに十分ではなく、世界中でリチウム電池の爆発が頻繁に発生しています。 バッテリーシステムの安全性を確保するために、バッテリーの爆発の原因をより注意深く分析する必要があります。

爆発タイプ分析

バッテリーセルの爆発のタイプは、外部短絡、内部短絡、および過充電のXNUMXつのタイプに分類できます。 ここでの外側とは、バッテリーパックの内部絶縁設計が不十分なために発生した短絡を含む、バッテリーセルの外側を指します。

セルの外側で短絡が発生し、電子部品が回路を遮断できない場合、セルの内部で高熱が発生し、電解液の一部が蒸発してバッテリーシェルが膨張します。 バッテリーの内部温度が摂氏135度に達すると、高品質のダイヤフラム紙が細孔を閉じ、電気化学反応が終了またはほぼ終了し、電流が急激に低下し、温度がゆっくりと低下するため、回避されます。爆発。 しかし、細孔の閉鎖率が低すぎるか、細孔がまったく閉鎖されていません。 ダイヤフラム紙により、バッテリーの温度が上昇し続け、より多くの電解質が蒸発し、最終的にバッテリーのシェルが破損するか、バッテリーの温度が上昇して材料が燃焼して爆発します。 内部短絡は主に、ダイアフラムを貫通する銅箔とアルミホイルのバリ、またはダイアフラムを貫通するリチウム原子の樹枝状結晶によって引き起こされます。 これらの小さな針状の金属は、微小な短絡を引き起こす可能性があります。 針は非常に細く、一定の抵抗値があるため、電流は必ずしも大きくはありません。

銅箔やアルミ箔のバリは、製造工程で発生します。 観察可能な現象は、バッテリーの漏れが速すぎることです。そのほとんどは、バッテリーセル工場または組立工場でスクリーニングできます。 また、バリが小さいため、焼けてバッテリーが正常に戻る場合があります。 したがって、バリの微小短絡による爆発の可能性は高くありません。 この声明は、さまざまなバッテリーセル工場で充電直後に低電圧の不良バッテリーがしばしばあるという事実から見ることができますが、統計によって裏付けられている爆発はほとんどありません。 したがって、内部短絡による爆発は主に過充電によるものです。 過充電後、ポールピースのいたるところに針状のリチウム金属結晶があり、穿刺点がいたるところにあり、微小短絡がいたるところに発生するためです。 そのため、バッテリーの温度が徐々に上昇し、最終的に高温になると電解液がガス状になります。 この場合、温度が高すぎて材料が燃焼して爆発することはないか、または最初に外殻が壊れて空気が入り、リチウム金属を酸化するかどうかは、爆発です。

ただし、過充電による内部短絡による爆発は、必ずしも充電時に発生するわけではありません。 バッテリーの温度が材料を燃やすのに十分なほど高くなく、生成されたガスがバッテリーのケーシングを壊すのに十分でない場合、消費者は充電を停止して携帯電話を取り出す可能性があります。 このとき、多数の微小短絡によって発生する熱がバッテリーの温度をゆっくりと上昇させ、しばらくすると爆発します。 消費者の一般的な説明は、彼らが電話を手に取ったとき、彼らは電話が非常に熱く、それを捨てた後に爆発することに気付くということです。

上記の種類の爆発に基づいて、爆発保護のXNUMXつの側面、つまり過充電の防止、外部短絡の防止、およびセルの安全性の向上に焦点を当てることができます。 その中で、過充電防止と外部短絡防止は電子保護に属し、バッテリーシステムの設計とバッテリーの組み立てとの関係が大きくなっています。 バッテリーセルの安全性向上の焦点は、化学的および機械的保護であり、バッテリーセルメーカーとの関係はより大きくなっています。