Caracteristicile bateriei litiu-ion

Litiul este cel mai mic și cel mai activ metal din tabelul periodic chimic. Datorită dimensiunilor sale mici și densității mari de capacitate, este binevenit pe scară largă de consumatori și ingineri. Cu toate acestea, proprietățile chimice sunt prea active, ceea ce aduce riscuri extrem de mari. Când metalul litiu este expus la aer, acesta va reacționa violent cu oxigenul și va exploda. Pentru a îmbunătăți siguranța și tensiunea, oamenii de știință au inventat materiale precum grafitul și oxidul de litiu-cobalt pentru a stoca atomii de litiu. Structura moleculară a acestor materiale formează o mică rețea de stocare la nivel nano care poate fi folosită pentru a stoca atomii de litiu. În acest fel, chiar dacă carcasa bateriei se rupe și oxigenul intră, moleculele de oxigen vor fi prea mari pentru a intra în aceste mici celule de stocare, astfel încât atomii de litiu să nu intre în contact cu oxigenul și să evite explozia. Acest principiu al bateriilor litiu-ion le permite oamenilor să obțină siguranță, obținând în același timp o densitate mare de capacitate.

Un test electric împotriva exploziilor

Când o baterie litiu-ion este încărcată, atomii de litiu din electrodul pozitiv pierd electroni și sunt oxidați în ioni de litiu. Ionii de litiu înoată către electrodul negativ prin electrolit, intră în celula de stocare a electrodului negativ și obțin un electron, care este redus la atomi de litiu. La descărcare, întreaga procedură este inversată. Pentru a preveni atingerea directă și scurtcircuitarea directă a polilor pozitivi și negativi ai bateriei, bateriei se adaugă o hârtie cu diafragmă cu mulți pori pentru a preveni scurtcircuitarea. O hârtie cu diafragmă bună poate, de asemenea, închide automat porii atunci când temperatura bateriei este prea mare, astfel încât ionii de litiu să nu poată trece, astfel încât să poată folosi propriile arte marțiale pentru a preveni pericolul.

salvgarda

După ce pila bateriei cu litiu este supraîncărcată la o tensiune mai mare de 4.2 V, vor începe să apară efecte secundare. Cu cât tensiunea de supraîncărcare este mai mare, cu atât riscul este mai mare. Când tensiunea celulei bateriei cu litiu este mai mare de 4.2 V, numărul de atomi de litiu care rămân în materialul electrodului pozitiv este mai mic de jumătate. În acest moment, celula se prăbușește adesea, provocând o scădere permanentă a capacității bateriei. Dacă continuați să încărcați, deoarece celula electrodului negativ este deja plină cu atomi de litiu, metalul de litiu se va acumula pe suprafața materialului electrodului negativ. Acești atomi de litiu vor crește dendrite de la suprafața electrodului negativ spre direcția ionilor de litiu. Aceste cristale de litiu metalic vor trece prin hârtia separatoare și vor scurtcircuita electrozii pozitivi și negativi. Uneori, bateria explodează înainte de scurtcircuitul. Acest lucru se datorează faptului că în timpul procesului de supraîncărcare, electrolitul și alte materiale se vor crăpa pentru a produce gaz, determinând umflarea și ruperea carcasei bateriei sau a supapei de presiune, permițând oxigenului să intre și să reacționeze cu atomii de litiu acumulați pe suprafața electrodului negativ. Și apoi a explodat. Prin urmare, atunci când încărcați o baterie cu litiu, limita superioară de tensiune trebuie setată astfel încât durata de viață, capacitatea și siguranța bateriei să poată fi luate în considerare în același timp. Cea mai ideală limită superioară a tensiunii de încărcare este 4.2 V. Există, de asemenea, o limită de tensiune inferioară la descărcarea bateriilor cu litiu. Când tensiunea celulei este mai mică de 2.4 V, unele materiale vor începe să fie distruse. De asemenea, deoarece bateria se va autodescărca, cu cât rămâne mai mult timp, cu atât tensiunea va fi mai mică. Prin urmare, este mai bine să nu vă opriți când bateria este descărcată la 2.4V. În perioada în care bateria cu litiu este descărcată de la 3.0 V la 2.4 V, energia eliberată reprezintă doar aproximativ 3% din capacitatea bateriei. Prin urmare, 3.0 V este o tensiune ideală de întrerupere a descărcarii.

La încărcare și descărcare, pe lângă limita de tensiune, este necesară și limita de curent. Când curentul este prea mare, ionii de litiu nu vor avea timp să intre în celula de stocare și se vor acumula pe suprafața materialului. După ce acești ioni de litiu obțin electroni, ei vor produce cristale de atomi de litiu pe suprafața materialului, ceea ce este la fel cu supraîncărcarea, ceea ce este periculos. Dacă carcasa bateriei se rupe, aceasta va exploda.

Prin urmare, protecția bateriilor litiu-ion trebuie să includă cel puțin trei elemente: limita superioară a tensiunii de încărcare, limita inferioară a tensiunii de descărcare și limita superioară a curentului. În general, într-un pachet de baterii cu litiu, pe lângă miezul bateriei cu litiu, va exista o placă de protecție. Această placă de protecție oferă în principal aceste trei protecții. Cu toate acestea, aceste trei protecții ale plăcii de protecție nu sunt în mod evident suficiente și există încă explozii frecvente de baterii cu litiu în întreaga lume. Pentru a asigura siguranța sistemului de baterii, cauza exploziei bateriei trebuie analizată mai atent.

Analiza tipului de explozie

Tipurile de explozie a celulei bateriei pot fi clasificate în trei tipuri: scurtcircuit extern, scurtcircuit intern și supraîncărcare. Exteriorul se referă aici la exteriorul celulei bateriei, inclusiv la scurtcircuite cauzate de designul prost de izolație internă a acumulatorului.

Când apare un scurtcircuit în exteriorul celulei și componentele electronice nu reușesc să oprească circuitul, în interiorul celulei va fi generată căldură ridicată, ceea ce va face ca o parte din electrolit să se vaporizeze și să extindă carcasa bateriei. Când temperatura internă a bateriei este de până la 135 de grade Celsius, o hârtie cu diafragmă de bună calitate va închide porii, reacția electrochimică va fi încheiată sau aproape terminată, curentul va scădea brusc, iar temperatura va scădea încet, evitând astfel o explozie. Cu toate acestea, rata de închidere a porilor este prea slabă sau porii nu sunt deloc închiși. Hârtia cu diafragmă va face ca temperatura bateriei să continue să crească, mai mult electrolit se va vaporiza și, în cele din urmă, carcasa bateriei va fi spartă sau chiar temperatura bateriei va crește până la Materialul arde și explodează. Scurtcircuitul intern este cauzat în principal de bavurile foliei de cupru și ale foliei de aluminiu care străpunge diafragma sau de cristalele dendritice ale atomilor de litiu care străpunge diafragma. Aceste metale minuscule asemănătoare acelor pot provoca micro-scurtcircuite. Deoarece acul este foarte subțire și are o anumită valoare a rezistenței, curentul nu este neapărat mare.

Bavurile de cupru și folie de aluminiu sunt cauzate în timpul procesului de producție. Fenomenul observabil este că bateria se scurge prea repede, majoritatea putând fi ecranate de fabrica de celule de baterie sau de fabrica de asamblare. Mai mult, din cauza bavurilor mici, acestea vor fi uneori arse, determinând ca bateria să revină la normal. Prin urmare, probabilitatea de explozie cauzată de micro-scurtcircuit bavuri nu este mare. Această afirmație poate fi văzută din faptul că există adesea baterii proaste cu tensiune scăzută la scurt timp după încărcare în diferite fabrici de celule de baterie, dar există puține explozii, ceea ce este susținut de statistici. Prin urmare, explozia cauzată de scurtcircuitul intern este cauzată în principal de supraîncărcare. Deoarece, după supraîncărcare, există cristale metalice de litiu asemănătoare unui ac peste tot pe piesa polară, punctul de perforare este peste tot și micro-scurtcircuit are loc peste tot. Prin urmare, temperatura bateriei va crește treptat și, în cele din urmă, temperatura ridicată va face ca electrolitul să devină gaz. În acest caz, fie că temperatura este prea mare pentru a provoca arderea și exploda materialului, fie că carcasa exterioară este mai întâi ruptă, provocând intrarea aerului și oxidarea metalului litiu, este o explozie.

Cu toate acestea, explozia cauzată de un scurtcircuit intern cauzat de supraîncărcare nu are loc neapărat în momentul încărcării. Este posibil ca atunci când temperatura bateriei să nu fie suficient de ridicată pentru a arde materialul și gazul generat să nu fie suficient pentru a sparge carcasa bateriei, consumatorul să oprească încărcarea și să scoată telefonul mobil. În acest moment, căldura generată de numeroasele micro-scurtcircuite crește încet temperatura bateriei, iar aceasta explodează după o perioadă de timp. Descrierea comună a consumatorilor este că atunci când ridică telefonul, constată că telefonul este foarte fierbinte și explodează după ce l-au aruncat.

Pe baza tipurilor de explozii de mai sus, ne putem concentra pe trei aspecte ale protecției împotriva exploziilor: prevenirea supraîncărcării, prevenirea scurtcircuitelor externe și îmbunătățirea siguranței celulelor. Printre acestea, prevenirea supraîncărcării și prevenirea scurtcircuitului extern aparțin protecției electronice, care are o relație mai mare cu proiectarea sistemului de baterii și asamblarea bateriei. Accentul îmbunătățirii siguranței celulelor bateriei este protecția chimică și mecanică, care are o relație mai mare cu producătorii de celule de baterie.