Lityum-iyon pil özellikleri

Lityum, kimyasal periyodik tablodaki en küçük ve en aktif metaldir. Küçük boyutu ve yüksek kapasite yoğunluğu nedeniyle tüketiciler ve mühendisler tarafından geniş çapta memnuniyetle karşılanmaktadır. Bununla birlikte, kimyasal özellikler çok aktiftir ve bu da son derece yüksek riskler getirir. Lityum metali havaya maruz kaldığında oksijenle şiddetli reaksiyona girer ve patlar. Güvenlik ve voltajı artırmak için bilim adamları, lityum atomlarını depolamak için grafit ve lityum kobalt oksit gibi malzemeler icat etti. Bu malzemelerin moleküler yapısı, lityum atomlarını depolamak için kullanılabilecek nano düzeyde küçük bir depolama ızgarası oluşturur. Bu şekilde pil kabuğu yırtılsa ve oksijen girse bile oksijen molekülleri bu küçük depolama hücrelerine giremeyecek kadar büyük olacak, böylece lityum atomları oksijenle temas etmeyecek ve patlamayı önleyecektir. Lityum-iyon pillerin bu ilkesi, insanların yüksek kapasite yoğunluğuna ulaşırken güvenlik elde etmelerini sağlar.

Elektrik patlamaya dayanıklı bir test

Bir lityum iyon pil şarj edildiğinde, pozitif elektrottaki lityum atomları elektron kaybeder ve lityum iyonlarına oksitlenir. Lityum iyonları elektrolit yoluyla negatif elektrota doğru yüzer, negatif elektrotun depolama hücresine girer ve lityum atomlarına indirgenen bir elektron elde eder. Boşaltma sırasında, tüm prosedür tersine çevrilir. Pilin artı ve eksi kutuplarının doğrudan temas etmesini ve kısa devre yapmasını önlemek için kısa devreyi önlemek için pile çok gözenekli bir diyafram kağıdı eklenir. İyi bir diyafram kağıdı, pil sıcaklığı çok yüksek olduğunda gözenekleri otomatik olarak kapatabilir, böylece lityum iyonları geçemez, böylece tehlikeyi önlemek için kendi dövüş sanatlarını kullanabilirler.

Korumak

Lityum pil hücresi 4.2V’den daha yüksek bir voltaja aşırı şarj edildikten sonra yan etkiler oluşmaya başlayacaktır. Aşırı şarj voltajı ne kadar yüksek olursa, risk o kadar yüksek olur. Lityum pil hücresinin voltajı 4.2V’den yüksek olduğunda, pozitif elektrot malzemesinde kalan lityum atomlarının sayısı yarıdan azdır. Bu sırada hücre genellikle çökerek pil kapasitesinde kalıcı bir düşüşe neden olur. Şarj etmeye devam ederseniz, negatif elektrot hücresi zaten lityum atomlarıyla dolu olduğundan, sonraki lityum metali, negatif elektrot malzemesinin yüzeyinde birikecektir. Bu lityum atomları, negatif elektrotun yüzeyinden lityum iyonlarının yönüne doğru dendritleri büyütecektir. Bu lityum metal kristalleri ayırıcı kağıttan geçecek ve pozitif ve negatif elektrotları kısa devre yapacaktır. Bazen pil kısa devre oluşmadan önce patlar. Bunun nedeni, aşırı şarj işlemi sırasında elektrolit ve diğer malzemelerin gaz üretmek üzere çatlayarak pil kabuğunun veya basınç valfinin şişmesine ve yırtılmasına neden olarak oksijenin girmesine ve negatif elektrotun yüzeyinde biriken lityum atomlarıyla reaksiyona girmesine izin vermesidir. Ve sonra patladı. Bu nedenle, bir lityum pili şarj ederken, pil ömrü, kapasitesi ve güvenliği aynı anda dikkate alınabilmesi için üst voltaj sınırı ayarlanmalıdır. Şarj voltajının en ideal üst sınırı 4.2V’dir. Lityum pilleri boşaltırken daha düşük bir voltaj sınırı da vardır. Hücre voltajı 2.4V’un altına düştüğünde bazı malzemeler bozulmaya başlayacaktır. Ayrıca akü kendi kendine boşalacağı için ne kadar uzun süre kalırsa voltaj o kadar düşük olur. Bu nedenle, pil 2.4V’a boşaldığında durmamak en iyisidir. Lityum pilin 3.0V’dan 2.4V’a deşarj olduğu süre boyunca, açığa çıkan enerji pil kapasitesinin yalnızca yaklaşık %3’ünü oluşturur. Bu nedenle 3.0V ideal bir deşarj kesme voltajıdır.

Şarj ve deşarj olurken voltaj limitine ek olarak akım limiti de gereklidir. Akım çok büyük olduğunda, lityum iyonlarının depolama hücresine girecek zamanı olmayacak ve malzemenin yüzeyinde birikecektir. Bu lityum iyonları elektronları elde ettikten sonra, malzemenin yüzeyinde lityum atom kristalleri üreteceklerdir, bu da aşırı şarj ile aynı, tehlikelidir. Pil muhafazası kırılırsa, patlayacaktır.

Bu nedenle, lityum iyon pillerin korunması en az üç öğe içermelidir: şarj voltajının üst sınırı, deşarj voltajının alt sınırı ve akımın üst sınırı. Genel olarak, bir lityum pil paketinde, lityum pil çekirdeğine ek olarak bir koruyucu levha olacaktır. Bu koruyucu levha esas olarak bu üç korumayı sağlar. Bununla birlikte, koruma levhasının bu üç koruması açıkça yeterli değildir ve dünya çapında hala sık sık lityum pil patlamaları yaşanmaktadır. Batarya sisteminin güvenliğini sağlamak için batarya patlamasının nedeni daha dikkatli analiz edilmelidir.

Patlama tipi analizi

Pil hücresi patlaması türleri üç tipte sınıflandırılabilir: harici kısa devre, dahili kısa devre ve aşırı şarj. Buradaki dış kısım, pil takımının zayıf iç yalıtım tasarımının neden olduğu kısa devreler de dahil olmak üzere pil hücresinin dışını ifade eder.

Hücrenin dışında bir kısa devre meydana geldiğinde ve elektronik bileşenler devreyi kesemediğinde, hücrenin içinde yüksek ısı üretilecek ve bu da elektrolitin bir kısmının buharlaşmasına ve pil kabuğunun genişlemesine neden olacaktır. Pilin iç sıcaklığı 135 santigrat dereceye kadar yükseldiğinde, kaliteli bir diyafram kağıdı gözenekleri kapatacak, elektrokimyasal reaksiyon sonlandırılacak veya neredeyse sona erecek, akım keskin bir şekilde düşecek ve sıcaklık yavaşça düşecek, böylece kaçınılacaktır. Bir patlama. Ancak gözenek kapanma hızı çok zayıftır veya gözenekler hiç kapanmamıştır. Diyafram kağıdı, pil sıcaklığının yükselmeye devam etmesine, daha fazla elektrolit buharlaşmasına ve sonunda pil kabuğunun kırılmasına veya hatta pil sıcaklığının yükselmesine neden olur Malzeme yanar ve patlar. Dahili kısa devreye esas olarak diyaframı delen bakır folyo ve alüminyum folyonun çapakları veya diyaframı delen lityum atomlarının dendritik kristalleri neden olur. Bu küçük iğne benzeri metaller mikro kısa devrelere neden olabilir. İğne çok ince olduğundan ve belirli bir direnç değerine sahip olduğundan, akımın mutlaka büyük olması gerekmez.

Bakır ve alüminyum folyo çapakları üretim sürecinde ortaya çıkar. Gözlenebilir olay, pilin çok hızlı sızdırması ve bunların çoğu pil hücresi fabrikası veya montaj fabrikası tarafından görüntülenebilir. Ayrıca, küçük çapaklar nedeniyle bazen yanacak ve pilin normale dönmesine neden olacaktır. Bu nedenle çapak mikro kısa devreden kaynaklanan patlama olasılığı yüksek değildir. Bu ifade, çeşitli pil hücresi fabrikalarında şarj edildikten kısa bir süre sonra genellikle düşük voltajlı kötü pillerin olması gerçeğinden görülebilir, ancak istatistiklerle desteklenen birkaç patlama vardır. Bu nedenle, dahili kısa devrenin neden olduğu patlama, esas olarak aşırı şarjdan kaynaklanır. Aşırı şarjdan sonra, kutup parçasının her yerinde iğne benzeri lityum metal kristalleri olduğundan, delinme noktası her yerdedir ve her yerde mikro kısa devre oluşur. Bu nedenle, pil sıcaklığı kademeli olarak yükselecek ve son olarak yüksek sıcaklık elektrolitin gaz yapmasına neden olacaktır. Bu durumda, sıcaklığın malzemenin yanmasına ve patlamasına neden olmayacak kadar yüksek olması veya dış kabuğun önce kırılarak havanın girmesine ve lityum metali oksitlenmesine neden olması bir patlamadır.

Ancak, aşırı şarjdan kaynaklanan dahili bir kısa devrenin neden olduğu patlama, şarj sırasında mutlaka meydana gelmez. Pil sıcaklığı malzemeyi yakacak kadar yüksek olmadığında ve üretilen gaz pil muhafazasını kıracak kadar olmadığında, tüketicinin şarjı durdurup cep telefonunu çıkarması mümkündür. Bu sırada çok sayıda mikro kısa devre tarafından üretilen ısı, pilin sıcaklığını yavaş yavaş yükseltir ve bir süre sonra patlar. Tüketicilerin ortak tanımı, telefonu ellerine aldıklarında telefonun çok sıcak olduğunu ve attıktan sonra patladığını görmeleridir.

Yukarıdaki patlama türlerine dayanarak, patlama korumasının üç yönüne odaklanabiliriz: aşırı şarjın önlenmesi, harici kısa devrelerin önlenmesi ve hücre güvenliğinin iyileştirilmesi. Bunların arasında, aşırı şarj önleme ve harici kısa devre önleme, pil sistemi tasarımı ve pil montajı ile daha büyük bir ilişkisi olan elektronik korumaya aittir. Pil hücresi güvenlik geliştirmesinin odak noktası, pil hücresi üreticileriyle daha büyük bir ilişkisi olan kimyasal ve mekanik korumadır.