Litiumjonbatteriets egenskaper

Litium är den minsta och mest aktiva metallen i det kemiska periodiska systemet. På grund av sin lilla storlek och höga kapacitetstäthet välkomnas den allmänt av konsumenter och ingenjörer. De kemiska egenskaperna är dock för aktiva, vilket medför extremt höga risker. När litiummetall utsätts för luft kommer den att reagera våldsamt med syre och explodera. För att förbättra säkerheten och spänningen uppfann forskare material som grafit och litiumkoboltoxid för att lagra litiumatomer. Den molekylära strukturen hos dessa material bildar ett litet lagringsnät på nanonivå som kan användas för att lagra litiumatomer. På så sätt, även om batteriskalet spricker och syre kommer in, blir syremolekylerna för stora för att komma in i dessa små lagringsceller, så att litiumatomer inte kommer i kontakt med syre och undviker explosion. Denna princip med litiumjonbatterier gör det möjligt för människor att uppnå säkerhet samtidigt som de uppnår hög kapacitetstäthet.

Ett elektriskt explosionssäkert test

När ett litiumjonbatteri laddas förlorar litiumatomerna i den positiva elektroden elektroner och oxideras till litiumjoner. Litiumjoner simmar till den negativa elektroden genom elektrolyten, går in i den negativa elektrodens lagringscell och erhåller en elektron, som reduceras till litiumatomer. Vid urladdning är hela proceduren omvänd. För att förhindra att batteriets positiva och negativa poler direkt berör och kortsluter läggs ett membranpapper med många porer till batteriet för att förhindra kortslutning. Ett bra diafragmapapper kan också automatiskt stänga porerna när batteritemperaturen är för hög, så att litiumjoner inte kan passera igenom, så att de kan använda sin egen kampsport för att förebygga fara.

Skydda

Efter att litiumbattericellen har överladdats till en spänning högre än 4.2V kommer biverkningar att börja uppstå. Ju högre överladdningsspänning, desto högre risk. När spänningen i litiumbattericellen är högre än 4.2V, är antalet kvarvarande litiumatomer i det positiva elektrodmaterialet mindre än hälften. Vid denna tidpunkt kollapsar cellen ofta, vilket orsakar en permanent minskning av batterikapaciteten. Om du fortsätter att ladda, eftersom cellen i den negativa elektroden redan är fylld med litiumatomer, kommer efterföljande litiummetall att ansamlas på ytan av det negativa elektrodmaterialet. Dessa litiumatomer kommer att växa dendriter från ytan av den negativa elektroden i riktning mot litiumjonerna. Dessa litiummetallkristaller kommer att passera genom separatorpapperet och kortsluta de positiva och negativa elektroderna. Ibland exploderar batteriet innan kortslutningen inträffar. Detta beror på att under överladdningsprocessen kommer elektrolyten och andra material att spricka för att producera gas, vilket gör att batteriskalet eller tryckventilen sväller och brister, vilket tillåter syre att komma in och reagera med litiumatomerna som samlats på ytan av den negativa elektroden. Och sedan exploderade. När du laddar ett litiumbatteri måste därför den övre spänningsgränsen ställas in så att batteriets livslängd, kapacitet och säkerhet samtidigt kan beaktas. Den mest idealiska övre gränsen för laddningsspänningen är 4.2V. Det finns också en lägre spänningsgräns vid urladdning av litiumbatterier. När cellspänningen är lägre än 2.4V kommer vissa material att börja förstöras. Dessutom, eftersom batteriet kommer att laddas ur själv, ju längre det är kvar, desto lägre blir spänningen. Därför är det bäst att inte stanna när batteriet är urladdat till 2.4V. Under den period då litiumbatteriet är urladdat från 3.0V till 2.4V, står den frigjorda energin endast för cirka 3% av batterikapaciteten. Därför är 3.0V en idealisk urladdningsgränsspänning.

Vid laddning och urladdning är, förutom spänningsgränsen, även strömgränsen nödvändig. När strömmen är för stor kommer litiumjoner inte att hinna komma in i lagringscellen och kommer att ackumuleras på ytan av materialet. Efter att dessa litiumjoner fått elektroner kommer de att producera litiumatomkristaller på ytan av materialet, vilket är samma sak som överladdning, vilket är farligt. Om batterihöljet går sönder kommer det att explodera.

Därför måste skyddet av litiumjonbatterier omfatta minst tre punkter: den övre gränsen för laddningsspänningen, den nedre gränsen för urladdningsspänningen och den övre gränsen för strömmen. I allmänhet, i ett litiumbatteripaket, förutom litiumbatteriets kärna, kommer det att finnas ett skyddskort. Denna skyddstavla tillhandahåller huvudsakligen dessa tre skydd. Dessa tre skydd av skyddstavlan är dock uppenbarligen inte tillräckligt, och det förekommer fortfarande frekventa explosioner av litiumbatterier runt om i världen. För att säkerställa batterisystemets säkerhet måste orsaken till batteriexplosionen analyseras mer noggrant.

Analys av explosionstyp

Typerna av battericellexplosion kan klassificeras i tre typer: extern kortslutning, intern kortslutning och överladdning. Utsidan här hänvisar till utsidan av battericellen, inklusive kortslutningar orsakade av dålig inre isoleringsdesign av batteripaketet.

När en kortslutning uppstår på utsidan av cellen och de elektroniska komponenterna misslyckas med att bryta kretsen, kommer hög värme att genereras inuti cellen, vilket gör att en del av elektrolyten förångas och expanderar batteriskalet. När batteriets inre temperatur är så hög som 135 grader Celsius, kommer ett membranpapper av god kvalitet att stänga porerna, den elektrokemiska reaktionen kommer att avslutas eller nästan avslutas, strömmen kommer att sjunka kraftigt och temperaturen kommer långsamt att sjunka, vilket undviker en explosion. Emellertid är porförslutningshastigheten för dålig, eller så är porerna inte stängda alls. Diafragmapapperet kommer att få batteritemperaturen att fortsätta att stiga, mer elektrolyt kommer att förångas och till slut kommer batteriskalet att brytas, eller till och med batteritemperaturen kommer att höjas till Materialet brinner och exploderar. Den interna kortslutningen orsakas huvudsakligen av att graderna i kopparfolien och aluminiumfolien tränger igenom membranet, eller att dendritiska kristallerna av litiumatomer tränger igenom membranet. Dessa små nålliknande metaller kan orsaka mikrokortslutningar. Eftersom nålen är mycket tunn och har ett visst motståndsvärde är strömmen inte nödvändigtvis stor.

Koppar- och aluminiumfoliens grader orsakas under tillverkningsprocessen. Det observerbara fenomenet är att batteriet läcker för snabbt, varav det mesta kan skärmas av battericellsfabriken eller monteringsfabriken. Dessutom, på grund av de små graderna, kommer de ibland att brännas, vilket gör att batteriet återgår till det normala. Därför är sannolikheten för explosion orsakad av borrmikrokortslutning inte hög. Detta påstående kan ses av att det ofta finns dåliga batterier med låg spänning strax efter laddning i olika battericellsfabriker, men det är få explosioner, vilket stöds av statistik. Därför orsakas explosionen som orsakas av den interna kortslutningen huvudsakligen av överladdning. För efter överladdning finns det nålliknande litiummetallkristaller överallt på polstycket, punkteringspunkten är överallt och mikrokortslutningen uppstår överallt. Därför kommer batteritemperaturen gradvis att stiga, och slutligen kommer den höga temperaturen att orsaka gas i elektrolyten. I det här fallet, oavsett om temperaturen är för hög för att få materialet att brinna och explodera, eller om det yttre skalet först bryts, vilket gör att luften kommer in och oxiderar litiummetallen, är det en explosion.

Explosionen orsakad av en intern kortslutning orsakad av överladdning uppstår dock inte nödvändigtvis vid laddningstillfället. Det är möjligt att när batteritemperaturen inte är tillräckligt hög för att bränna materialet och gasen som genereras inte räcker för att bryta batterihöljet, kommer konsumenten att sluta ladda och ta ut mobiltelefonen. Vid denna tidpunkt höjer värmen som genereras av många mikrokortslutningar långsamt batteriets temperatur, och det exploderar efter en tid. Den vanliga beskrivningen av konsumenter är att när de lyfter telefonen upptäcker de att telefonen är väldigt varm och exploderar efter att ha kastat den.

Baserat på ovanstående typer av explosioner kan vi fokusera på tre aspekter av explosionsskydd: förhindrande av överladdning, förhindrande av externa kortslutningar och förbättring av cellsäkerhet. Bland dem hör överladdningsförebyggande och extern kortslutningsförebyggande till elektroniskt skydd, som har ett större samband med batterisystemdesign och batterimontering. Fokus för förbättring av battericellssäkerhet är kemiskt och mekaniskt skydd, som har en större relation med battericellstillverkare.