Lastnosti litij-ionske baterije

Litij je najmanjša in najbolj aktivna kovina v kemični periodični tabeli. Zaradi svoje majhnosti in visoke gostote zmogljivosti ga potrošniki in inženirji zelo pozdravljajo. Vendar pa so kemične lastnosti preveč aktivne, kar prinaša izjemno velika tveganja. Ko je litij kovinski izpostavljen zraku, bo burno reagiral s kisikom in eksplodiral. Da bi izboljšali varnost in napetost, so znanstveniki izumili materiale, kot sta grafit in litij-kobaltov oksid za shranjevanje litijevih atomov. Molekularna struktura teh materialov tvori majhno mrežo za shranjevanje na nano ravni, ki se lahko uporablja za shranjevanje litijevih atomov. Na ta način, tudi če se lupina baterije poči in vstopi kisik, bodo molekule kisika prevelike, da bi vstopile v te majhne celice za shranjevanje, tako da atomi litija ne bodo prišli v stik s kisikom in se izognili eksploziji. To načelo litij-ionskih baterij omogoča ljudem, da dosežejo varnost, hkrati pa dosežejo visoko gostoto zmogljivosti.

Električni test proti eksploziji

Ko se litij-ionska baterija napolni, litijevi atomi v pozitivni elektrodi izgubijo elektrone in se oksidirajo v litijeve ione. Litijevi ioni priplavajo do negativne elektrode skozi elektrolit, vstopijo v shranjevalno celico negativne elektrode in dobijo elektron, ki se reducira na litijeve atome. Pri praznjenju se celoten postopek obrne. Da bi preprečili neposreden dotik pozitivnih in negativnih polov baterije in kratek stik, se bateriji doda membranski papir z veliko porami, ki preprečuje kratek stik. Dober membranski papir lahko tudi samodejno zapre pore, ko je temperatura baterije previsoka, tako da litijevi ioni ne morejo preiti skozi, tako da lahko uporabijo lastne borilne veščine, da preprečijo nevarnost.

Zaščititi

Ko se celica litijeve baterije prenapolni na napetost, višjo od 4.2 V, se bodo začeli pojavljati stranski učinki. Višja kot je napetost prenapolnjenosti, večje je tveganje. Ko je napetost celice litijeve baterije višja od 4.2 V, je število litijevih atomov, ki ostanejo v materialu pozitivne elektrode, manjše od polovice. V tem času se celica pogosto zruši, kar povzroči trajno zmanjšanje zmogljivosti baterije. Če nadaljujete s polnjenjem, ker je celica negativne elektrode že napolnjena z litijevimi atomi, se bo kasnejša kovina litija nabrala na površini materiala negativne elektrode. Ti litijevi atomi bodo rastli dendrite s površine negativne elektrode v smeri litijevih ionov. Ti litijevi kovinski kristali bodo prešli skozi ločevalni papir in povzročili kratek stik na pozitivni in negativni elektrodi. Včasih baterija eksplodira, preden pride do kratkega stika. To je zato, ker se med postopkom prekomernega polnjenja elektrolit in drugi materiali razpokajo, da nastane plin, kar povzroči, da lupina baterije ali tlačni ventil nabrekne in poči, kar omogoča vstop kisika in reagiranje z atomi litija, nakopičenimi na površini negativne elektrode. In potem eksplodiral. Zato je treba pri polnjenju litijeve baterije zgornjo napetostno mejo nastaviti tako, da je mogoče hkrati upoštevati življenjsko dobo, zmogljivost in varnost baterije. Najbolj idealna zgornja meja polnilne napetosti je 4.2 V. Obstaja tudi nižja napetostna meja pri praznjenju litijevih baterij. Ko je napetost celice nižja od 2.4 V, se bodo nekateri materiali začeli uničevati. Ker se bo baterija sama izpraznila, dlje ko ostane, nižja bo napetost. Zato je najbolje, da se ne ustavite, ko je baterija izpraznjena na 2.4 V. V obdobju, ko se litijeva baterija izprazni s 3.0 V na 2.4 V, sproščena energija predstavlja le približno 3 % zmogljivosti baterije. Zato je 3.0 V idealna izklopna napetost praznjenja.

Pri polnjenju in praznjenju je poleg napetostne omejitve nujna tudi tokovna meja. Ko je tok prevelik, litijevi ioni ne bodo imeli časa vstopiti v celico za shranjevanje in se bodo kopičili na površini materiala. Ko ti litijevi ioni pridobijo elektrone, bodo na površini materiala proizvedli kristale litijevih atomov, kar je enako prenapolnjenosti, kar je nevarno. Če ohišje baterije poči, bo eksplodiralo.

Zato mora zaščita litij-ionskih baterij vključevati vsaj tri postavke: zgornjo mejo polnilne napetosti, spodnjo mejo napetosti praznjenja in zgornjo mejo toka. Na splošno bo v litijevi bateriji poleg jedra litijeve baterije še zaščitna plošča. Ta zaščitna plošča zagotavlja predvsem te tri zaščite. Vendar te tri zaščite zaščitne plošče očitno niso dovolj, po svetu pa so še vedno pogoste eksplozije litijevih baterij. Za zagotovitev varnosti akumulatorskega sistema je treba vzrok eksplozije baterije natančneje analizirati.

Analiza vrste eksplozije

Vrste eksplozije baterijske celice lahko razvrstimo v tri vrste: zunanji kratek stik, notranji kratek stik in prekomerno polnjenje. Zunanjost se tukaj nanaša na zunanjost baterijske celice, vključno s kratkimi stiki, ki jih povzroča slaba notranja izolacijska zasnova baterijskega paketa.

Ko pride do kratkega stika na zunanji strani celice in elektronske komponente ne uspejo prekiniti tokokroga, bo v celici nastala visoka toplota, kar bo povzročilo, da del elektrolita izhlapi in razširi lupino baterije. Ko bo notranja temperatura baterije do 135 stopinj Celzija, bo kakovosten membranski papir zaprl pore, elektrokemična reakcija se bo končala ali skoraj končala, tok bo močno padel, temperatura pa bo počasi padala in se tako izognila eksplozijo. Vendar je stopnja zapiranja por prenizka ali pa se pore sploh ne zaprejo. Membranski papir bo povzročil, da se temperatura baterije še naprej dviguje, več elektrolita bo izhlapelo in končno bo lupina baterije polomljena ali pa se bo temperatura baterije celo povečala na Material gori in eksplodira. Notranji kratek stik v glavnem povzročajo brazgotine bakrene folije in aluminijaste folije, ki prebijajo membrano, ali dendritični kristali litijevih atomov, ki prebijajo diafragmo. Te drobne igličaste kovine lahko povzročijo mikro kratke stike. Ker je igla zelo tanka in ima določeno vrednost upora, tok ni nujno velik.

Med proizvodnim procesom nastanejo neravnine iz bakrene in aluminijaste folije. Opazen pojav je, da baterija prehitro pušča, večino tega lahko pregleda tovarna baterijskih celic ali tovarna za montažo. Poleg tega se zaradi majhnih zarez včasih zažgejo, kar povzroči, da se baterija vrne v normalno stanje. Zato verjetnost eksplozije zaradi mikrokratkega stika z zadrgo ni velika. To trditev je razvidno iz dejstva, da so v različnih tovarnah baterijskih celic kmalu po polnjenju slabe baterije z nizko napetostjo, vendar je malo eksplozij, kar potrjuje statistika. Zato je eksplozija, ki jo povzroči notranji kratek stik, v glavnem posledica prenapolnjenosti. Ker so po prekomernem polnjenju povsod na drogu igličasti litijevi kovinski kristali, točka preboda je povsod in povsod se pojavi mikro kratek stik. Zato se bo temperatura baterije postopoma dvignila, končno pa bo visoka temperatura povzročila plinasti elektrolit. V tem primeru, ne glede na to, ali je temperatura previsoka, da bi povzročila zgorevanje in eksplozijo materiala, ali pa je zunanja lupina najprej polomljena, zaradi česar zrak vstopi in oksidira kovino litija, gre za eksplozijo.

Vendar ni nujno, da se eksplozija zaradi notranjega kratkega stika zaradi prenapolnjenosti zgodi v času polnjenja. Možno je, da ko temperatura baterije ni dovolj visoka, da bi zgorela material, in nastali plin ne zadostuje za zlom ohišja baterije, bo potrošnik prenehal polniti in mobilni telefon vzel ven. V tem času toplota, ki jo povzročajo številni mikrokratki stiki, počasi dvigne temperaturo baterije in ta po določenem času eksplodira. Pogost opis potrošnikov je, da ko vzamejo telefon v roke, ugotovijo, da je telefon zelo vroč in eksplodira, ko ga vržejo stran.

Na podlagi zgornjih vrst eksplozij se lahko osredotočimo na tri vidike protieksplozijske zaščite: preprečevanje prenapolnjenosti, preprečevanje zunanjih kratkih stikov in izboljšanje varnosti celice. Med njimi je preprečevanje prenapolnjenosti in zunanje preprečevanje kratkega stika med elektronsko zaščito, ki je v večji povezavi z zasnovo baterijskega sistema in sestavo baterije. Poudarek izboljšanja varnosti baterijskih celic je kemična in mehanska zaščita, ki ima večji odnos s proizvajalci baterijskih celic.