Características da bateria de íon-lítio

O lítio é o menor e mais ativo metal da tabela química periódica. Por causa de seu pequeno tamanho e alta densidade de capacidade, é amplamente bem-vindo por consumidores e engenheiros. No entanto, as propriedades químicas são muito ativas, o que traz riscos extremamente elevados. Quando o metal de lítio é exposto ao ar, ele reage violentamente com o oxigênio e explode. Para melhorar a segurança e a voltagem, os cientistas inventaram materiais como grafite e óxido de lítio-cobalto para armazenar átomos de lítio. A estrutura molecular desses materiais forma uma pequena grade de armazenamento de nível nano que pode ser usada para armazenar átomos de lítio. Desse modo, mesmo que o invólucro da bateria se rompa e o oxigênio entre, as moléculas de oxigênio serão muito grandes para entrar nessas pequenas células de armazenamento, de modo que os átomos de lítio não entrarão em contato com o oxigênio e evitarão a explosão. Este princípio das baterias de íon-lítio permite que as pessoas alcancem segurança enquanto alcançam alta densidade de capacidade.

Um teste elétrico à prova de explosão

Quando uma bateria de íon de lítio é carregada, os átomos de lítio no eletrodo positivo perdem elétrons e são oxidados em íons de lítio. Os íons de lítio nadam para o eletrodo negativo através do eletrólito, entram na célula de armazenamento do eletrodo negativo e obtêm um elétron, que é reduzido a átomos de lítio. Ao descarregar, todo o procedimento é invertido. Para evitar que os pólos positivo e negativo da bateria se toquem e entrem em curto-circuito, um papel diafragma com muitos poros é adicionado à bateria para evitar curto-circuito. Um bom papel de diafragma também pode fechar os poros automaticamente quando a temperatura da bateria estiver muito alta, de modo que os íons de lítio não possam passar, para que eles possam usar suas próprias artes marciais para evitar o perigo.

Salvaguarda

Depois que a célula da bateria de lítio for sobrecarregada para uma tensão superior a 4.2 V, os efeitos colaterais começarão a ocorrer. Quanto maior a tensão de sobrecarga, maior o risco. Quando a voltagem da célula da bateria de lítio é superior a 4.2 V, o número de átomos de lítio restantes no material do eletrodo positivo é menor que a metade. Nesse momento, a célula freqüentemente entra em colapso, causando uma diminuição permanente na capacidade da bateria. Se você continuar a carregar, uma vez que a célula do eletrodo negativo já está cheia de átomos de lítio, o metal de lítio subsequente se acumulará na superfície do material do eletrodo negativo. Esses átomos de lítio crescerão dendritos da superfície do eletrodo negativo em direção aos íons de lítio. Esses cristais de metal de lítio passarão pelo papel separador e causarão curto-circuito nos eletrodos positivo e negativo. Às vezes, a bateria explode antes que ocorra o curto-circuito. Isso ocorre porque durante o processo de sobrecarga, o eletrólito e outros materiais irão rachar para produzir gás, fazendo com que o invólucro da bateria ou válvula de pressão inche e se rompa, permitindo que o oxigênio entre e reaja com os átomos de lítio acumulados na superfície do eletrodo negativo. E então explodiu. Portanto, ao carregar uma bateria de lítio, o limite superior de tensão deve ser definido de forma que a vida útil, a capacidade e a segurança da bateria possam ser levadas em consideração ao mesmo tempo. O limite superior mais ideal da tensão de carregamento é de 4.2 V. Também há um limite de voltagem mais baixo ao descarregar baterias de lítio. Quando a voltagem da célula é inferior a 2.4 V, alguns materiais começam a ser destruídos. Além disso, como a bateria se autodescarrega, quanto mais tempo resta, menor será a tensão. Portanto, é melhor não parar quando a bateria estiver descarregada para 2.4V. Durante o período em que a bateria de lítio é descarregada de 3.0 V a 2.4 V, a energia liberada representa apenas cerca de 3% da capacidade da bateria. Portanto, 3.0 V é uma tensão de corte de descarga ideal.

Ao carregar e descarregar, além do limite de tensão, o limite de corrente também é necessário. Quando a corrente é muito grande, os íons de lítio não terão tempo de entrar na célula de armazenamento e se acumularão na superfície do material. Depois que esses íons de lítio obtêm elétrons, eles vão produzir cristais de átomos de lítio na superfície do material, o que é o mesmo que sobrecarregar, o que é perigoso. Se o invólucro da bateria se romper, ele explodirá.

Portanto, a proteção das baterias de íon-lítio deve incluir pelo menos três itens: o limite superior da tensão de carga, o limite inferior da tensão de descarga e o limite superior da corrente. Em geral, em uma bateria de lítio, além do núcleo da bateria de lítio, haverá uma placa protetora. Esta placa de proteção fornece principalmente essas três proteções. No entanto, essas três proteções da placa de proteção obviamente não são suficientes, e ainda há explosões frequentes de baterias de lítio em todo o mundo. Para garantir a segurança do sistema de bateria, a causa da explosão da bateria deve ser analisada com mais cuidado.

Análise do tipo de explosão

Os tipos de explosão da célula da bateria podem ser classificados em três tipos: curto-circuito externo, curto-circuito interno e sobrecarga. O exterior aqui refere-se ao exterior da célula da bateria, incluindo curtos-circuitos causados ​​por design de isolamento interno deficiente da bateria.

Quando ocorre um curto-circuito na parte externa da célula e os componentes eletrônicos não conseguem desligar o circuito, um alto calor será gerado dentro da célula, o que fará com que parte do eletrólito vaporize e expanda o invólucro da bateria. Quando a temperatura interna da bateria chega a 135 graus Celsius, um papel diafragma de boa qualidade fechará os poros, a reação eletroquímica será encerrada ou quase encerrada, a corrente cairá drasticamente e a temperatura cairá lentamente, evitando assim uma explosão. No entanto, a taxa de fechamento dos poros é muito baixa ou os poros não estão fechados. O papel do diafragma fará com que a temperatura da bateria continue a aumentar, mais eletrólito vaporizará e, finalmente, o invólucro da bateria será quebrado, ou mesmo a temperatura da bateria aumentará para O material queima e explode. O curto-circuito interno é causado principalmente pelas rebarbas da folha de cobre e da folha de alumínio que perfuram o diafragma ou pelos cristais dendríticos de átomos de lítio que perfuram o diafragma. Esses minúsculos metais semelhantes a agulhas podem causar micro curtos-circuitos. Como a agulha é muito fina e tem um determinado valor de resistência, a corrente não é necessariamente grande.

As rebarbas de folha de cobre e alumínio são causadas durante o processo de produção. O fenômeno observável é que a bateria vaza muito rápido, a maioria dos quais pode ser verificada pela fábrica de células de bateria ou pela fábrica de montagem. Além disso, devido às pequenas rebarbas, às vezes podem se queimar, fazendo com que a bateria volte ao normal. Portanto, a probabilidade de explosão causada por micro-curto-circuito de rebarba não é alta. Esta afirmação pode ser vista a partir do fato de que muitas vezes há baterias ruins com baixa tensão logo após o carregamento em várias fábricas de células de bateria, mas há poucas explosões, o que é comprovado por estatísticas. Portanto, a explosão causada pelo curto-circuito interno é causada principalmente por sobrecarga. Porque após a sobrecarga, há cristais de metal de lítio semelhantes a agulhas em todos os lugares da peça polar, o ponto de punção está em todos os lugares e o micro curto-circuito ocorre em todos os lugares. Portanto, a temperatura da bateria aumentará gradualmente e, finalmente, a alta temperatura fará com que o eletrólito gaseifique. Nesse caso, se a temperatura for muito alta para fazer com que o material queime e explodir, ou se a casca externa for quebrada primeiro, fazendo com que o ar entre e oxide o metal de lítio, é uma explosão.

No entanto, a explosão causada por um curto-circuito interno causado por sobrecarga não ocorre necessariamente no momento do carregamento. É possível que quando a temperatura da bateria não for alta o suficiente para queimar o material e o gás gerado não for suficiente para quebrar o invólucro da bateria, o consumidor pare de carregar e retire o celular. Neste momento, o calor gerado por vários micro-curtos-circuitos aumenta lentamente a temperatura da bateria e ela explode após um período de tempo. A descrição comum dos consumidores é que, ao pegarem o telefone, eles descobrem que o telefone está muito quente e explodem depois de jogá-lo fora.

Com base nos tipos de explosões acima, podemos nos concentrar em três aspectos da proteção contra explosão: a prevenção de sobrecarga, a prevenção de curtos-circuitos externos e a melhoria da segurança das células. Dentre eles, a prevenção de sobrecarga e a prevenção de curto-circuito externo pertencem à proteção eletrônica, que tem maior relação com o projeto do sistema de bateria e a montagem da bateria. O foco do aprimoramento da segurança das células de bateria é a proteção química e mecânica, que tem um relacionamento maior com os fabricantes de células de bateria.