Vlastnosti lítium-iónovej batérie

Lítium je najmenší a najaktívnejší kov v chemickej periodickej tabuľke. Vďaka svojej malej veľkosti a vysokej kapacite je široko vítaný spotrebiteľmi a inžiniermi. Chemické vlastnosti sú však príliš aktívne, čo prináša mimoriadne vysoké riziká. Keď je lítium vystavené vzduchu, bude prudko reagovať s kyslíkom a explodovať. Aby sa zlepšila bezpečnosť a napätie, vedci vynašli materiály ako grafit a oxid lítno-kobaltnatý na ukladanie atómov lítia. Molekulárna štruktúra týchto materiálov tvorí malú úložnú mriežku na nanoúrovni, ktorú možno použiť na ukladanie atómov lítia. Týmto spôsobom, aj keď sa pretrhne plášť batérie a vnikne kyslík, molekuly kyslíka budú príliš veľké na to, aby sa dostali do týchto malých zásobníkov, takže atómy lítia neprídu do kontaktu s kyslíkom a vyhnú sa výbuchu. Tento princíp lítium-iónových batérií umožňuje ľuďom dosiahnuť bezpečnosť pri dosahovaní vysokej hustoty kapacity.

Elektrický test odolný voči výbuchu

Keď je lítium-iónová batéria nabitá, lítiové atómy v kladnej elektróde strácajú elektróny a sú oxidované na lítiové ióny. Lítiové ióny plávajú k zápornej elektróde cez elektrolyt, vstupujú do zásobnej bunky zápornej elektródy a získavajú elektrón, ktorý sa redukuje na atómy lítia. Pri vybíjaní je celý postup obrátený. Aby sa zabránilo priamemu dotyku kladných a záporných pólov batérie a ich skratovaniu, je do batérie pridaný membránový papier s mnohými pórmi, aby sa zabránilo skratu. Dobrý membránový papier môže tiež automaticky uzavrieť póry, keď je teplota batérie príliš vysoká, takže lítiové ióny nemôžu prejsť, takže môžu použiť svoje vlastné bojové umenia, aby zabránili nebezpečenstvu.

zabezpečiť

Po prebití článku lítiovej batérie na napätie vyššie ako 4.2 V sa začnú objavovať vedľajšie účinky. Čím vyššie je prebíjacie napätie, tým vyššie je riziko. Keď je napätie článku lítiovej batérie vyššie ako 4.2 V, počet atómov lítia zostávajúcich v materiáli kladnej elektródy je menší ako polovica. V tomto čase sa článok často zrúti, čo spôsobí trvalé zníženie kapacity batérie. Ak budete pokračovať v nabíjaní, keďže článok zápornej elektródy je už naplnený atómami lítia, na povrchu materiálu zápornej elektródy sa bude hromadiť ďalší kovový lítium. Tieto atómy lítia budú rásť dendrity z povrchu zápornej elektródy v smere k lítiovým iónom. Tieto kryštály lítiového kovu prejdú cez separačný papier a skratujú kladné a záporné elektródy. Niekedy batéria exploduje skôr, ako dôjde ku skratu. Je to preto, že počas procesu prebíjania elektrolyt a iné materiály prasknú za vzniku plynu, čo spôsobí napučiavanie a prasknutie puzdra batérie alebo tlakového ventilu, čo umožňuje vstup kyslíku a reakciu s atómami lítia nahromadenými na povrchu zápornej elektródy. A potom vybuchol. Pri nabíjaní lítiovej batérie je preto potrebné nastaviť hornú hranicu napätia tak, aby bola súčasne zohľadnená životnosť batérie, kapacita a bezpečnosť. Najideálnejšia horná hranica nabíjacieho napätia je 4.2V. Pri vybíjaní lítiových batérií existuje aj nižšia hranica napätia. Keď je napätie článku nižšie ako 2.4 V, niektoré materiály sa začnú ničiť. Keďže sa batéria samovybíja, čím dlhšie ju necháte, tým nižšie bude napätie. Preto je najlepšie nezastavovať, keď je batéria vybitá na 2.4V. Počas obdobia, keď sa lítiová batéria vybíja z 3.0 V na 2.4 V, predstavuje uvoľnená energia len asi 3 % kapacity batérie. Preto je 3.0 V ideálne vypínacie napätie.

Pri nabíjaní a vybíjaní je okrem limitu napätia nevyhnutný aj limit prúdu. Keď je prúd príliš veľký, lítiové ióny nestihnú vstúpiť do zásobníka a budú sa hromadiť na povrchu materiálu. Potom, čo tieto lítiové ióny získajú elektróny, vytvoria na povrchu materiálu kryštály atómu lítia, čo je rovnaké ako prebíjanie, čo je nebezpečné. Ak sa obal batérie pretrhne, vybuchne.

Preto ochrana lítium-iónových batérií musí zahŕňať aspoň tri položky: hornú hranicu nabíjacieho napätia, spodnú hranicu vybíjacieho napätia a hornú hranicu prúdu. Vo všeobecnosti v lítiovej batérii bude okrem jadra lítiovej batérie ochranná doska. Táto ochranná doska poskytuje hlavne tieto tri ochrany. Tieto tri ochrany ochrannej dosky však zjavne nestačia a po celom svete stále dochádza k častým výbuchom lítiových batérií. Na zaistenie bezpečnosti batériového systému je potrebné dôkladnejšie analyzovať príčinu výbuchu batérie.

Analýza typu výbuchu

Typy výbuchu batériových článkov možno rozdeliť do troch typov: vonkajší skrat, vnútorný skrat a prebitie. Vonkajšia časť sa tu vzťahuje na vonkajšok článku batérie, vrátane skratov spôsobených zlou konštrukciou vnútornej izolácie batérie.

Keď dôjde ku skratu na vonkajšej strane článku a elektronickým súčiastkam sa nepodarí prerušiť obvod, vo vnútri článku sa vytvorí vysoké teplo, ktoré spôsobí odparenie časti elektrolytu a rozšírenie obalu batérie. Keď je vnútorná teplota batérie až 135 stupňov Celzia, kvalitný membránový papier uzavrie póry, elektrochemická reakcia sa ukončí alebo takmer ukončí, prúd prudko klesne a teplota bude pomaly klesať, čím sa zabráni výbuch. Rýchlosť uzatvárania pórov je však príliš nízka alebo póry nie sú uzavreté vôbec. Membránový papier spôsobí, že teplota batérie bude naďalej stúpať, viac elektrolytu sa vyparí a nakoniec sa obal batérie rozbije, alebo sa dokonca teplota batérie zvýši na Materiál horí a exploduje. Vnútorný skrat je spôsobený hlavne otrepami medenej fólie a hliníkovej fólie prepichujúcimi membránu alebo dendritickými kryštálmi atómov lítia prepichujúcimi membránu. Tieto drobné ihličkovité kovy môžu spôsobiť mikroskraty. Pretože je ihla veľmi tenká a má určitú hodnotu odporu, prúd nemusí byť nevyhnutne veľký.

Otrepy z medenej a hliníkovej fólie vznikajú počas výrobného procesu. Pozorovateľným javom je, že batéria vyteká príliš rýchlo, pričom väčšina z nich môže byť chránená továrňou na batérie alebo montážnou továrňou. Navyše v dôsledku malých otrepov sa niekedy spália, čo spôsobí, že sa batéria vráti do normálu. Pravdepodobnosť výbuchu spôsobeného mikroskratom otrepu preto nie je vysoká. Toto tvrdenie je zrejmé z toho, že v rôznych továrňach na batérie sa často nachádzajú zlé batérie s nízkym napätím krátko po nabití, ale dochádza k malým výbuchom, čo podporujú aj štatistiky. Preto je výbuch spôsobený vnútorným skratom spôsobený najmä prebitím. Pretože po prebití sú všade na pólovom nástavci ihličkovité kryštály lítiového kovu, bod prepichnutia je všade a mikroskrat sa vyskytuje všade. Preto bude teplota batérie postupne stúpať a nakoniec vysoká teplota spôsobí plynatosť elektrolytu. V tomto prípade, či už je teplota príliš vysoká na to, aby spôsobila horenie a explóziu materiálu, alebo sa najskôr rozbije vonkajší plášť, čo spôsobí, že vzduch vstúpi a zoxiduje lítium, ide o výbuch.

Výbuch spôsobený vnútorným skratom spôsobeným prebitím však nemusí nevyhnutne nastať v čase nabíjania. Je možné, že keď teplota batérie nie je dostatočne vysoká na spálenie materiálu a vytvorený plyn nestačí na rozbitie krytu batérie, spotrebiteľ prestane nabíjať a vyberie mobilný telefón. V tomto čase teplo generované početnými mikroskratmi pomaly zvyšuje teplotu batérie a tá po určitom čase exploduje. Bežným popisom spotrebiteľov je, že keď telefón zdvihnú, zistia, že telefón je veľmi horúci a po odhodení exploduje.

Na základe vyššie uvedených typov výbuchov sa môžeme zamerať na tri aspekty ochrany proti výbuchu: zabránenie prebitiu, zabránenie vonkajším skratom a zlepšenie bezpečnosti článkov. Medzi nimi ochrana pred prebitím a externá ochrana proti skratu patrí k elektronickej ochrane, ktorá má väčší vzťah s dizajnom batériového systému a montážou batérie. Cieľom zvýšenia bezpečnosti batériových článkov je chemická a mechanická ochrana, ktorá má užší vzťah s výrobcami batériových článkov.