Ličio jonų akumuliatoriaus charakteristikos

Litis yra mažiausias ir aktyviausias metalas cheminėje periodinėje lentelėje. Dėl mažo dydžio ir didelio talpos tankio vartotojai ir inžinieriai jį labai palankiai vertina. Tačiau cheminės savybės yra per aktyvios, o tai kelia itin didelę riziką. Kai ličio metalas pateks į orą, jis smarkiai reaguos su deguonimi ir sprogs. Siekdami pagerinti saugą ir įtampą, mokslininkai išrado tokias medžiagas kaip grafitas ir ličio kobalto oksidas ličio atomams laikyti. Šių medžiagų molekulinė struktūra sudaro nano lygio mažą saugojimo tinklelį, kuris gali būti naudojamas ličio atomams laikyti. Tokiu būdu, net ir plyšus akumuliatoriaus korpusui ir patekus deguonies, deguonies molekulės bus per didelės, kad patektų į šias mažas talpyklos ląsteles, todėl ličio atomai nesusilies su deguonimi ir išvengs sprogimo. Šis ličio jonų baterijų veikimo principas leidžia žmonėms užtikrinti saugumą ir kartu pasiekti didelį talpos tankį.

Atsparumo elektriniam sprogimui bandymas

Įkraunant ličio jonų akumuliatorių, teigiamame elektrode esantys ličio atomai netenka elektronų ir oksiduojasi iki ličio jonų. Ličio jonai per elektrolitą nuplaukia iki neigiamo elektrodo, patenka į neigiamo elektrodo saugojimo elementą ir gauna elektroną, kuris redukuojamas į ličio atomus. Iškraunant, visa procedūra yra atvirkštinė. Kad akumuliatoriaus teigiami ir neigiami poliai nesiliestų ir nesusijungtų su trumpuoju jungimu, prie akumuliatoriaus pridedamas daug porų turintis diafragminis popierius, apsaugantis nuo trumpojo jungimo. Geras diafragmos popierius taip pat gali automatiškai uždaryti poras, kai akumuliatoriaus temperatūra yra per aukšta, kad ličio jonai negalėtų prasiskverbti, kad jie galėtų naudoti savo kovos meną, kad išvengtų pavojaus.

Apsaugos priemonė

Po to, kai ličio baterijos elementas bus perkrautas iki didesnės nei 4.2 V įtampos, prasidės šalutinis poveikis. Kuo didesnė perkrovimo įtampa, tuo didesnė rizika. Kai ličio baterijos elemento įtampa yra didesnė nei 4.2 V, teigiamo elektrodo medžiagoje likusių ličio atomų skaičius yra mažesnis nei pusė. Šiuo metu elementas dažnai žlunga, todėl visam laikui sumažėja akumuliatoriaus talpa. Jei ir toliau kraunate, nes neigiamo elektrodo elementas jau užpildytas ličio atomais, neigiamo elektrodo medžiagos paviršiuje kaupsis kitas ličio metalas. Šie ličio atomai išaugins dendritus nuo neigiamo elektrodo paviršiaus link ličio jonų krypties. Šie ličio metalo kristalai praeis per separatoriaus popierių ir trumpai sujungs teigiamus ir neigiamus elektrodus. Kartais baterija sprogsta prieš įvykstant trumpajam jungimui. Taip yra todėl, kad perkrovimo proceso metu elektrolitas ir kitos medžiagos įtrūks ir susidarys dujos, todėl akumuliatoriaus korpusas arba slėgio vožtuvas išsipūs ir plyš, todėl deguonis gali patekti ir reaguoti su neigiamo elektrodo paviršiuje susikaupusiais ličio atomais. Ir tada sprogo. Todėl kraunant ličio bateriją reikia nustatyti viršutinę įtampos ribą, kad būtų galima tuo pačiu metu atsižvelgti į akumuliatoriaus tarnavimo laiką, talpą ir saugumą. Idealiausia viršutinė įkrovimo įtampos riba yra 4.2 V. Taip pat iškraunant ličio baterijas yra mažesnė įtampos riba. Kai elemento įtampa yra mažesnė nei 2.4 V, kai kurios medžiagos pradės naikinti. Be to, kadangi akumuliatorius savaime išsikraus, kuo ilgiau jis paliekamas, tuo mažesnė bus įtampa. Todėl geriausia nesustoti, kai baterija išsikrauna iki 2.4 V. Per laikotarpį, kai ličio baterija išsikrauna nuo 3.0 V iki 2.4 V, išsiskirianti energija sudaro tik apie 3% akumuliatoriaus talpos. Todėl 3.0 V yra ideali iškrovimo ribinė įtampa.

Įkraunant ir iškraunant, be įtampos ribos, būtina ir srovės riba. Kai srovė yra per didelė, ličio jonai nespės patekti į laikymo elementą ir kaupsis medžiagos paviršiuje. Po to, kai šie ličio jonai gaus elektronus, jie gamins ličio atomo kristalus medžiagos paviršiuje, o tai yra tas pats, kas per didelis įkrovimas, o tai yra pavojinga. Jei akumuliatoriaus korpusas plyš, jis sprogs.

Todėl ličio jonų akumuliatorių apsauga turi apimti bent tris elementus: viršutinę įkrovimo įtampos ribą, apatinę iškrovos įtampos ribą ir viršutinę srovės ribą. Apskritai, ličio baterijos bloke, be ličio akumuliatoriaus šerdies, bus ir apsauginė plokštė. Ši apsauginė plokštė daugiausia užtikrina šias tris apsaugas. Tačiau šių trijų apsauginės plokštės apsaugos akivaizdžiai nepakanka, o visame pasaulyje vis dar dažni ličio baterijų sprogimai. Siekiant užtikrinti akumuliatoriaus sistemos saugumą, reikia atidžiau išanalizuoti akumuliatoriaus sprogimo priežastį.

Sprogimo tipo analizė

Akumuliatoriaus elementų sprogimo tipus galima suskirstyti į tris tipus: išorinis trumpasis jungimas, vidinis trumpasis jungimas ir perkrova. Išorė čia reiškia akumuliatoriaus elemento išorę, įskaitant trumpuosius jungimus, atsiradusius dėl prastos akumuliatoriaus bloko vidinės izoliacijos konstrukcijos.

Kai elemento išorėje įvyksta trumpasis jungimas ir elektroniniams komponentams nepavyksta nutraukti grandinės, elemento viduje susidarys didelis karštis, dėl kurio dalis elektrolito išgaruos ir išsiplės akumuliatoriaus korpusas. Kai akumuliatoriaus vidinė temperatūra siekia 135 laipsnius Celsijaus, geros kokybės diafragminis popierius uždarys poras, elektrocheminė reakcija nutrūks arba beveik pasibaigs, srovė smarkiai kris, o temperatūra lėtai kris, todėl sprogimas. Tačiau porų uždarymo greitis yra per prastas arba poros visai neužsidaro. Dėl diafragmos popieriaus toliau kils akumuliatoriaus temperatūra, išgaruos daugiau elektrolitų ir galiausiai bus sulūžęs akumuliatoriaus korpusas arba net pakyla akumuliatoriaus temperatūra iki Medžiaga dega ir sprogsta. Vidinį trumpąjį jungimą daugiausia sukelia vario folijos ir aliuminio folijos įdubimai, pramušantys diafragmą, arba ličio atomų dendritiniai kristalai, pramušantys diafragmą. Šie smulkūs į adatą panašūs metalai gali sukelti mikro trumpuosius jungimus. Kadangi adata yra labai plona ir turi tam tikrą pasipriešinimo vertę, srovė nebūtinai yra didelė.

Vario ir aliuminio folijos įdubimai susidaro gamybos proceso metu. Pastebimas reiškinys yra tai, kad akumuliatorius teka per greitai, o daugumą jo gali patikrinti akumuliatoriaus elementų gamykla arba surinkimo gamykla. Be to, dėl mažų įdubimų jie kartais sudegs, todėl akumuliatorius vėl pradės veikti. Todėl sprogimo, kurį sukelia mikrotrumpasis jungimas, tikimybė nėra didelė. Šis teiginys matyti iš to, kad įvairiose baterijų elementų gamyklose dažnai būna blogų baterijų, kurių žema įtampa netrukus po įkrovimo, tačiau sprogimų būna nedaug, ką patvirtina statistika. Todėl sprogimą, kurį sukelia vidinis trumpasis jungimas, daugiausia sukelia perkrova. Kadangi po perkrovimo ant poliaus visur yra adatos tipo ličio metalo kristalai, visur yra pradūrimo vieta ir visur atsiranda mikro trumpasis jungimas. Todėl akumuliatoriaus temperatūra pamažu kils, o galiausiai dėl aukštos temperatūros elektrolitas pradės gaminti dujas. Šiuo atveju, nesvarbu, ar temperatūra yra per aukšta, kad medžiaga sudegtų ir sprogtų, ar pirmiausia nutrūksta išorinis apvalkalas, dėl kurio oras patenka ir oksiduoja ličio metalą, tai yra sprogimas.

Tačiau sprogimas, kurį sukelia vidinis trumpasis jungimas, kurį sukelia perkrovimas, nebūtinai įvyksta įkrovimo metu. Gali būti, kad kai akumuliatoriaus temperatūra nėra pakankamai aukšta medžiagai sudeginti, o susidariusių dujų neužtenka sulaužyti akumuliatoriaus korpusą, vartotojas nustos krauti ir išsiims mobilųjį telefoną. Šiuo metu daugybės mikrotrumpųjų jungimų skleidžiama šiluma pamažu pakelia akumuliatoriaus temperatūrą ir po tam tikro laiko ji sprogsta. Dažnas vartotojų apibūdinimas yra toks, kad paėmę telefoną jie pastebi, kad telefonas yra labai karštas ir jį išmetus sprogsta.

Remdamiesi pirmiau minėtais sprogimų tipais, galime sutelkti dėmesį į tris apsaugos nuo sprogimo aspektus: perkrovos prevenciją, išorinių trumpųjų jungimų prevenciją ir elementų saugos gerinimą. Tarp jų perkrovimo prevencija ir išorinio trumpojo jungimo prevencija priklauso elektroninei apsaugai, kuri yra labiau susijusi su akumuliatoriaus sistemos dizainu ir akumuliatoriaus surinkimu. Akumuliatoriaus elementų saugos didinimo tikslas yra cheminė ir mechaninė apsauga, kuri yra labiau susijusi su baterijų elementų gamintojais.