ลักษณะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ลิเธียมเป็นโลหะที่เล็กที่สุดและแอคทีฟมากที่สุดในตารางธาตุเคมี เนื่องจากมีขนาดเล็กและความหนาแน่นของความจุสูง จึงได้รับการต้อนรับอย่างกว้างขวางจากผู้บริโภคและวิศวกร อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางเคมีมีการใช้งานมากเกินไป ซึ่งทำให้เกิดความเสี่ยงสูงมาก เมื่อโลหะลิเธียมสัมผัสกับอากาศ มันจะทำปฏิกิริยารุนแรงกับออกซิเจนและระเบิด นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นวัสดุต่างๆ เช่น กราไฟต์และลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เพื่อเก็บกักอะตอมลิเธียม เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและแรงดันไฟฟ้า โครงสร้างโมเลกุลของวัสดุเหล่านี้สร้างตารางจัดเก็บข้อมูลขนาดเล็กระดับนาโนที่สามารถใช้เก็บอะตอมลิเธียมได้ ด้วยวิธีนี้ แม้ว่าเปลือกแบตเตอรี่จะแตกและออกซิเจนเข้าไป โมเลกุลของออกซิเจนจะมีขนาดใหญ่เกินไปที่จะเข้าสู่เซลล์จัดเก็บขนาดเล็กเหล่านี้ เพื่อที่อะตอมของลิเธียมจะไม่สัมผัสกับออกซิเจนและหลีกเลี่ยงการระเบิด หลักการของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนี้ช่วยให้ผู้คนได้รับความปลอดภัยในขณะที่มีความหนาแน่นของความจุสูง

การทดสอบป้องกันการระเบิดด้วยไฟฟ้า

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกชาร์จ อะตอมลิเธียมในอิเล็กโทรดบวกจะสูญเสียอิเล็กตรอนและถูกออกซิไดซ์เป็นลิเธียมไอออน ลิเธียมไอออนจะลอยไปยังอิเล็กโทรดลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ เข้าสู่เซลล์จัดเก็บของอิเล็กโทรดลบ และรับอิเล็กตรอนซึ่งถูกลดขนาดเป็นอะตอมลิเธียม เมื่อคายประจุ กระบวนการทั้งหมดจะกลับกัน เพื่อป้องกันไม่ให้ขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่สัมผัสโดยตรงและการลัดวงจร จึงเพิ่มกระดาษไดอะแฟรมที่มีรูพรุนจำนวนมากลงในแบตเตอรี่เพื่อป้องกันการลัดวงจร กระดาษไดอะแฟรมที่ดียังสามารถปิดรูพรุนได้โดยอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงเกินไป เพื่อไม่ให้ลิเธียมไอออนผ่านไปได้ จึงสามารถใช้ศิลปะการต่อสู้ป้องกันตัวจากอันตรายได้

ป้องกัน

หลังจากที่เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมถูกชาร์จจนเกินให้มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 4.2V ผลข้างเคียงจะเริ่มเกิดขึ้น ยิ่งแรงดันไฟเกินสูงเท่าไร ความเสี่ยงก็จะยิ่งสูงขึ้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมสูงกว่า 4.2V จำนวนอะตอมลิเธียมที่เหลืออยู่ในวัสดุอิเล็กโทรดบวกจะน้อยกว่าครึ่งหนึ่ง ในเวลานี้ เซลล์มักจะยุบ ทำให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลงอย่างถาวร หากคุณยังคงชาร์จต่อไป เนื่องจากเซลล์ของอิเล็กโทรดลบเต็มไปด้วยอะตอมลิเธียมแล้ว โลหะลิเธียมที่ตามมาจะสะสมอยู่บนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดลบ อะตอมลิเธียมเหล่านี้จะเติบโตเดนไดรต์จากพื้นผิวของอิเล็กโทรดลบไปยังทิศทางของลิเธียมไอออน ผลึกโลหะลิเธียมเหล่านี้จะผ่านกระดาษคั่นและทำให้อิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบลัดวงจร บางครั้งแบตเตอรี่ระเบิดก่อนเกิดไฟฟ้าลัดวงจร เนื่องจากในระหว่างกระบวนการชาร์จเกิน อิเล็กโทรไลต์และวัสดุอื่นๆ จะแตกร้าวเพื่อผลิตก๊าซ ทำให้เปลือกแบตเตอรี่หรือวาล์วแรงดันบวมและแตก ทำให้ออกซิเจนเข้าสู่และทำปฏิกิริยากับอะตอมลิเธียมที่สะสมอยู่บนพื้นผิวของอิเล็กโทรดขั้วลบ แล้วก็ระเบิด ดังนั้น เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม จะต้องตั้งค่าขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าบนเพื่อให้สามารถคำนึงถึงอายุ ความจุ และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้ในเวลาเดียวกัน ขีดจำกัดสูงสุดของแรงดันการชาร์จที่เหมาะสมที่สุดคือ 4.2V นอกจากนี้ยังมีขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเมื่อทำการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม เมื่อแรงดันเซลล์ต่ำกว่า 2.4V วัสดุบางอย่างจะเริ่มถูกทำลาย นอกจากนี้ เนื่องจากแบตเตอรี่จะคายประจุเอง ยิ่งปล่อยทิ้งไว้นาน แรงดันไฟก็จะยิ่งต่ำลง ดังนั้นจึงเป็นการดีที่สุดที่จะไม่หยุดเมื่อแบตเตอรี่หมดถึง 2.4V ในช่วงเวลาที่แบตเตอรี่ลิเธียมถูกคายประจุจาก 3.0V ถึง 2.4V พลังงานที่ปล่อยออกมาคิดเป็นเพียงประมาณ 3% ของความจุของแบตเตอรี่ ดังนั้น 3.0V จึงเป็นแรงดันคัทออฟดิสชาร์จในอุดมคติ

เมื่อชาร์จและคายประจุ นอกเหนือจากขีดจำกัดแรงดันแล้ว ขีดจำกัดกระแสยังจำเป็นอีกด้วย เมื่อกระแสไฟมากเกินไป ลิเธียมไอออนจะไม่มีเวลาเข้าไปในเซลล์จัดเก็บและจะสะสมอยู่ที่พื้นผิวของวัสดุ หลังจากที่ลิเธียมไอออนเหล่านี้ได้รับอิเล็กตรอน พวกเขาจะผลิตผลึกลิเธียมอะตอมบนพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งเหมือนกับการชาร์จมากเกินไป ซึ่งเป็นอันตราย หากแบตเตอรีแตกก็จะระเบิด

ดังนั้น การป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องมีอย่างน้อยสามรายการ: ขีดจำกัดบนของแรงดันชาร์จ ขีดจำกัดล่างของแรงดันไฟออก และขีดจำกัดบนของกระแส โดยทั่วไปในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมนอกเหนือจากแกนแบตเตอรี่ลิเธียมแล้วจะมีแผงป้องกัน แผ่นป้องกันนี้ส่วนใหญ่ให้การป้องกันทั้งสามนี้ อย่างไรก็ตาม การป้องกันทั้ง XNUMX ประการของแผงป้องกันยังไม่เพียงพอ และยังคงมีการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมอยู่บ่อยครั้งทั่วโลก เพื่อความปลอดภัยของระบบแบตเตอรี่ ต้องวิเคราะห์สาเหตุของการระเบิดของแบตเตอรี่ให้ละเอียดยิ่งขึ้น

การวิเคราะห์ประเภทการระเบิด

ประเภทของการระเบิดของเซลล์แบตเตอรี่สามารถจำแนกได้เป็นสามประเภท: ไฟฟ้าลัดวงจรภายนอก ไฟฟ้าลัดวงจรภายใน และไฟฟ้าเกิน ด้านนอกในที่นี้หมายถึงด้านนอกของเซลล์แบตเตอรี่ รวมถึงการลัดวงจรที่เกิดจากการออกแบบฉนวนภายในที่ไม่ดีของก้อนแบตเตอรี่

เมื่อไฟฟ้าลัดวงจรเกิดขึ้นที่ด้านนอกของเซลล์และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถตัดวงจรได้ จะทำให้เกิดความร้อนสูงภายในเซลล์ ซึ่งจะทำให้อิเล็กโทรไลต์ส่วนหนึ่งระเหยกลายเป็นไอและขยายเปลือกแบตเตอรี่ เมื่ออุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่สูงถึง 135 องศาเซลเซียส กระดาษไดอะแฟรมคุณภาพดีจะปิดรูพรุน ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีจะสิ้นสุดลงหรือเกือบสิ้นสุดลง กระแสไฟจะลดลงอย่างรวดเร็ว และอุณหภูมิจะค่อยๆ ลดลง จึงหลีกเลี่ยง การระเบิด อย่างไรก็ตาม อัตราการปิดรูพรุนต่ำเกินไป หรือรูขุมขนไม่ปิดเลย กระดาษไดอะแฟรมจะทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้นต่อไป อิเล็กโทรไลต์มากขึ้นจะระเหยกลายเป็นไอ และในที่สุดเปลือกแบตเตอรี่จะแตก หรือแม้แต่อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นเป็น วัสดุไหม้และระเบิด การลัดวงจรภายในส่วนใหญ่เกิดจากครีบของฟอยล์ทองแดงและอลูมิเนียมฟอยล์ที่เจาะไดอะแฟรม หรือผลึกเดนไดรต์ของอะตอมลิเธียมที่เจาะไดอะแฟรม โลหะคล้ายเข็มขนาดเล็กเหล่านี้อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรขนาดเล็กได้ เนื่องจากเข็มมีความบางมากและมีค่าความต้านทานที่แน่นอน กระแสจึงไม่จำเป็นต้องมาก

ครีบทองแดงและอลูมิเนียมฟอยล์เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้คือแบตเตอรี่รั่วเร็วเกินไป ซึ่งส่วนใหญ่สามารถตรวจสอบได้โดยโรงงานผลิตเซลล์แบตเตอรี่หรือโรงงานประกอบ ยิ่งกว่านั้นเนื่องจากเสี้ยนขนาดเล็กบางครั้งพวกมันจะถูกเผาทำให้แบตเตอรี่กลับมาเป็นปกติ ดังนั้นความน่าจะเป็นของการระเบิดที่เกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรขนาดเล็กของเสี้ยนจึงไม่สูง ข้อความนี้เห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ามักจะมีแบตเตอรี่เสียที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำหลังจากชาร์จในโรงงานผลิตเซลล์แบตเตอรี่หลายแห่งได้ไม่นาน แต่มีการระเบิดเล็กน้อยซึ่งได้รับการสนับสนุนจากสถิติ ดังนั้นการระเบิดที่เกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรภายในส่วนใหญ่เกิดจากการคิดราคาแพงเกินไป เนื่องจากหลังจากการชาร์จไฟเกิน จะมีผลึกโลหะลิเธียมคล้ายเข็มอยู่บนชิ้นส่วนของขั้ว มีจุดเจาะอยู่ทุกหนทุกแห่ง และการลัดวงจรขนาดเล็กเกิดขึ้นทุกที่ ดังนั้นอุณหภูมิของแบตเตอรี่จะค่อยๆ สูงขึ้น และในที่สุดอุณหภูมิสูงจะทำให้อิเล็กโทรไลต์กลายเป็นแก๊ส ในกรณีนี้ ไม่ว่าอุณหภูมิสูงเกินไปที่จะทำให้วัสดุไหม้และระเบิด หรือเปลือกนอกแตกในครั้งแรก ทำให้อากาศเข้าและออกซิไดซ์โลหะลิเธียม มันคือการระเบิด

อย่างไรก็ตาม การระเบิดที่เกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรภายในที่เกิดจากการชาร์จไฟเกินไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นในขณะที่ชาร์จ เป็นไปได้ว่าเมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่ไม่สูงพอที่จะเผาวัสดุและก๊าซที่เกิดขึ้นไม่เพียงพอที่จะทำลายปลอกแบตเตอรี่ ผู้บริโภคจะหยุดชาร์จและนำโทรศัพท์มือถือออก ในเวลานี้ ความร้อนที่เกิดจากวงจรไฟฟ้าลัดวงจรขนาดเล็กจำนวนมากทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้นอย่างช้าๆ และแบตเตอรี่จะระเบิดหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง คำอธิบายทั่วไปของผู้บริโภคคือ เมื่อพวกเขาหยิบโทรศัพท์ขึ้นมา พวกเขาพบว่าโทรศัพท์ร้อนจัดและระเบิดหลังจากโยนทิ้งไป

ตามประเภทของการระเบิดข้างต้น เราสามารถมุ่งเน้นไปที่การป้องกันการระเบิดได้สามด้าน: การป้องกันการชาร์จไฟเกิน การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรภายนอก และการปรับปรุงความปลอดภัยของเซลล์ ในหมู่พวกเขาการป้องกันไฟเกินและการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรภายนอกเป็นการป้องกันทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งมีความสัมพันธ์มากขึ้นกับการออกแบบระบบแบตเตอรี่และการประกอบแบตเตอรี่ จุดเน้นของการเพิ่มประสิทธิภาพความปลอดภัยของเซลล์แบตเตอรี่คือการป้องกันสารเคมีและกลไก ซึ่งมีความสัมพันธ์กับผู้ผลิตเซลล์แบตเตอรี่มากขึ้น