Характеристики литий-ионного аккумулятора

Литий – самый маленький и самый активный металл в химической таблице Менделеева. Из-за своего небольшого размера и высокой плотности емкости он широко приветствуется потребителями и инженерами. Однако химические свойства слишком активны, что сопряжено с чрезвычайно высокими рисками. Когда металлический литий подвергается воздействию воздуха, он бурно реагирует с кислородом и взрывается. Чтобы повысить безопасность и повысить напряжение, ученые изобрели такие материалы, как графит и оксид лития-кобальта, для хранения атомов лития. Молекулярная структура этих материалов образует небольшую сетку хранения на наноуровне, которую можно использовать для хранения атомов лития. Таким образом, даже если оболочка батареи разорвется и в нее попадет кислород, молекулы кислорода будут слишком большими, чтобы попасть в эти маленькие аккумуляторы, так что атомы лития не будут контактировать с кислородом и избежать взрыва. Этот принцип литий-ионных аккумуляторов позволяет людям достичь безопасности при достижении высокой плотности емкости.

Электровзрывобезопасное испытание

Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, атомы лития в положительном электроде теряют электроны и окисляются до ионов лития. Ионы лития плывут к отрицательному электроду через электролит, попадают в накопительную ячейку отрицательного электрода и получают электрон, который восстанавливается до атомов лития. При разряде вся процедура обратная. Чтобы предотвратить прямое касание и короткое замыкание положительного и отрицательного полюсов батареи, в батарею добавляется диафрагменная бумага с множеством пор для предотвращения короткого замыкания. Хорошая диафрагменная бумага также может автоматически закрывать поры, когда температура батареи слишком высока, так что ионы лития не могут проходить сквозь них, так что они могут использовать свои собственные боевые искусства для предотвращения опасности.

защита

После того, как литиевая батарея перезарядится до напряжения выше 4.2 В, начнут проявляться побочные эффекты. Чем выше напряжение перезаряда, тем выше риск. Когда напряжение элемента литиевой батареи выше 4.2 В, количество атомов лития, остающихся в материале положительного электрода, меньше половины. В это время элемент часто разрушается, вызывая необратимое уменьшение емкости аккумулятора. Если вы продолжите заряжать, поскольку ячейка отрицательного электрода уже заполнена атомами лития, последующий металлический литий будет накапливаться на поверхности материала отрицательного электрода. Эти атомы лития будут расти дендритами от поверхности отрицательного электрода в направлении ионов лития. Эти кристаллы металлического лития пройдут через разделительную бумагу и закоротят положительный и отрицательный электроды. Иногда батарея взрывается до того, как произойдет короткое замыкание. Это связано с тем, что во время процесса перезарядки электролит и другие материалы будут трескаться с образованием газа, вызывая набухание и разрыв корпуса батареи или клапана давления, позволяя кислороду проникать и реагировать с атомами лития, накопленными на поверхности отрицательного электрода. А потом взорвался. Поэтому при зарядке литиевой батареи необходимо установить верхний предел напряжения, чтобы одновременно учитывать срок службы, емкость и безопасность батареи. Самый идеальный верхний предел зарядного напряжения – 4.2 В. Также существует более низкий предел напряжения при разряде литиевых батарей. Когда напряжение ячейки ниже 2.4 В, некоторые материалы начнут разрушаться. Кроме того, поскольку аккумулятор саморазрядится, чем дольше он остается, тем ниже будет напряжение. Поэтому лучше не останавливаться, когда батарея разряжена до 2.4 В. В период, когда литиевая батарея разряжается с 3.0 В до 2.4 В, выделяемая энергия составляет только около 3% емкости батареи. Следовательно, 3.0 В – идеальное напряжение отключения разряда.

При зарядке и разрядке помимо ограничения напряжения также необходимо ограничение тока. Когда сила тока слишком велика, ионы лития не успевают попасть в аккумуляторную батарею и будут накапливаться на поверхности материала. После того, как эти ионы лития получат электроны, они будут производить кристаллы атомов лития на поверхности материала, что аналогично перезарядке, что опасно. Если корпус аккумулятора разорвется, он взорвется.

Следовательно, защита литий-ионных аккумуляторов должна включать как минимум три элемента: верхний предел зарядного напряжения, нижний предел напряжения разряда и верхний предел тока. Как правило, в литиевой аккумуляторной батарее помимо сердечника литиевой батареи будет защитная плата. Эта защитная доска в основном обеспечивает эти три защиты. Однако этих трех защит платы защиты явно недостаточно, и во всем мире все еще происходят частые взрывы литиевых батарей. Чтобы обеспечить безопасность аккумуляторной системы, необходимо более тщательно проанализировать причину взрыва аккумуляторной батареи.

Анализ типа взрыва

Типы взрыва аккумуляторных элементов можно разделить на три типа: внешнее короткое замыкание, внутреннее короткое замыкание и перезаряд. Под внешней стороной здесь понимается внешняя сторона аккумуляторного элемента, включая короткие замыкания, вызванные плохой конструкцией внутренней изоляции аккумуляторного блока.

Когда короткое замыкание происходит снаружи элемента и электронные компоненты не могут отключить цепь, внутри элемента будет генерироваться сильное тепло, что приведет к испарению части электролита и расширению корпуса батареи. Когда внутренняя температура батареи достигает 135 градусов по Цельсию, качественная диафрагменная бумага закроет поры, электрохимическая реакция будет прекращена или почти остановлена, ток резко упадет, а температура будет медленно падать, что позволяет избежать взрыв. Однако скорость закрытия пор слишком мала или поры не закрываются совсем. Диафрагменная бумага вызовет повышение температуры батареи, испарение большего количества электролита и, в конце концов, разрушение корпуса батареи или даже повышение температуры батареи до. Материал горит и взрывается. Внутреннее короткое замыкание в основном вызвано заусенцами медной фольги и алюминиевой фольги, пронизывающими диафрагму, или дендритными кристаллами атомов лития, пронизывающими диафрагму. Эти крошечные игольчатые металлы могут вызывать микрокороткое замыкание. Поскольку игла очень тонкая и имеет определенное значение сопротивления, ток не обязательно будет большим.

Заусенцы медной и алюминиевой фольги возникают в процессе производства. Наблюдаемое явление заключается в том, что батарея протекает слишком быстро, большая часть которой может быть проверена заводом-изготовителем аккумуляторных элементов или сборочным заводом. Более того, из-за мелких заусенцев они иногда могут сгореть, в результате чего аккумулятор вернется в нормальное состояние. Следовательно, вероятность взрыва, вызванного микрокоротким замыканием заусенца, невелика. Это утверждение можно увидеть из того факта, что часто бывают неисправные батареи с низким напряжением вскоре после зарядки на различных заводах по производству аккумуляторных элементов, но есть несколько взрывов, что подтверждается статистикой. Следовательно, взрыв, вызванный внутренним коротким замыканием, в основном вызван перезарядом. Поскольку после перезаряда повсюду на полюсном наконечнике появляются игольчатые кристаллы металлического лития, точка прокола находится повсюду, а микрокороткое замыкание происходит повсюду. Следовательно, температура батареи будет постепенно повышаться, и, наконец, высокая температура вызовет газообразование электролита. В этом случае, если температура слишком высока, чтобы вызвать возгорание и взрыв материала, или если внешняя оболочка сначала разрушается, что приводит к проникновению воздуха и окислению металлического лития, это является взрывом.

Однако взрыв, вызванный внутренним коротким замыканием, вызванным перезарядкой, не обязательно происходит во время зарядки. Возможно, что когда температура батареи недостаточно высока, чтобы сжечь материал, и образовавшегося газа недостаточно, чтобы сломать корпус батареи, потребитель прекратит зарядку и вытащит мобильный телефон. В это время тепло, выделяемое многочисленными микрокороткими замыканиями, медленно повышает температуру батареи, и через некоторое время она взрывается. Обычно потребители говорят, что когда они берут трубку, они обнаруживают, что телефон очень горячий, и взрываются после того, как выбросили его.

Основываясь на вышеупомянутых типах взрывов, мы можем сосредоточиться на трех аспектах взрывозащиты: предотвращение перезаряда, предотвращение внешних коротких замыканий и повышение безопасности элементов. Среди них предотвращение перезарядки и предотвращение внешнего короткого замыкания относятся к электронной защите, которая в большей степени связана с конструкцией аккумуляторной системы и сборкой аккумуляторной батареи. В центре внимания повышения безопасности аккумуляторных элементов является химическая и механическая защита, которая имеет более тесные отношения с производителями аккумуляторных элементов.