Характеристики літій-іонного акумулятора

Літій є найменшим і найактивнішим металом у хімічній періодичній системі. Через невеликий розмір і високу щільність ємності він широко вітається споживачами та інженерами. Однак хімічні властивості занадто активні, що приносить надзвичайно високі ризики. Коли металевий літій піддається впливу повітря, він буде бурхливо реагувати з киснем і вибухне. Щоб підвищити безпеку та підвищити напругу, вчені винайшли такі матеріали, як графіт і літій-кобальт-оксид для зберігання атомів літію. Молекулярна структура цих матеріалів утворює невелику сітку для зберігання на нанорівні, яку можна використовувати для зберігання атомів літію. Таким чином, навіть якщо корпус батареї розірветься і потрапить кисень, молекули кисню будуть занадто великими, щоб увійти в ці маленькі накопичувачі, так що атоми літію не будуть контактувати з киснем і уникнути вибуху. Цей принцип літій-іонних акумуляторів дозволяє людям досягати безпеки при досягненні високої щільності ємності.

Електричний вибухозахищений тест

Коли літій-іонний акумулятор заряджається, атоми літію в позитивному електроді втрачають електрони і окислюються до іонів літію. Іони літію підпливають до негативного електрода через електроліт, потрапляють в накопичувач негативного електрода і отримують електрон, який відновлюється до атомів літію. При розрядці вся процедура відбувається в зворотному порядку. Щоб запобігти безпосередньому торканню позитивних і негативних полюсів батареї та короткому замиканню, до батареї додається діафрагмовий папір з багатьма порами, щоб запобігти короткому замиканню. Хороший діафрагмовий папір також може автоматично закривати пори, коли температура батареї занадто висока, щоб іони літію не могли проходити через них, щоб вони могли використовувати свої власні бойові мистецтва, щоб запобігти небезпеці.

захист

Після перезарядження літієвої батареї до напруги вище 4.2 В почнуть виникати побічні ефекти. Чим вище напруга перезаряду, тим вище ризик. Коли напруга літієвої батареї перевищує 4.2 В, кількість атомів літію, що залишилися в матеріалі позитивного електрода, становить менше половини. У цей час елемент часто руйнується, викликаючи постійне зниження ємності акумулятора. Якщо продовжувати заряджати, оскільки комірка негативного електрода вже заповнена атомами літію, наступний метал літію буде накопичуватися на поверхні матеріалу негативного електрода. Ці атоми літію будуть рости дендрити від поверхні негативного електрода в напрямку іонів літію. Ці кристали металу літію пройдуть крізь папір-сепаратор і закоротять позитивний і негативний електроди. Іноді акумулятор вибухає до короткого замикання. Це пов’язано з тим, що під час процесу перезарядження електроліт та інші матеріали розтріскуються, утворюючи газ, що спричиняє набухання та розрив корпусу акумулятора або напірного клапана, дозволяючи кисню надходити та реагувати з атомами літію, накопиченими на поверхні негативного електрода. А потім вибухнув. Тому під час заряджання літієвої батареї необхідно встановити верхню межу напруги, щоб одночасно можна було врахувати термін служби акумулятора, його ємність і безпеку. Найбільш ідеальна верхня межа напруги зарядки – 4.2 В. Також існує нижня межа напруги при розрядці літієвих акумуляторів. Коли напруга елемента нижче 2.4 В, деякі матеріали почнуть руйнуватися. Крім того, оскільки акумулятор буде саморозряджатися, чим довше його залишити, тим нижче буде напруга. Тому краще не зупинятися, коли акумулятор розрядився до 2.4 В. У період, коли літієва батарея розряджається від 3.0 В до 2.4 В, енергія, що виділяється, становить лише близько 3% ємності акумулятора. Тому 3.0 В є ідеальною напругою відсікання розряду.

При зарядці та розрядці, крім межі напруги, необхідна і межа струму. Коли струм занадто великий, іони літію не встигнуть потрапити в накопичувальний елемент і будуть накопичуватися на поверхні матеріалу. Після того, як ці іони літію отримають електрони, вони вироблять кристали атома літію на поверхні матеріалу, що те саме, що перезаряд, що небезпечно. Якщо корпус акумулятора розірветься, він вибухне.

Тому захист літій-іонних акумуляторів має включати щонайменше три пункти: верхню межу напруги зарядки, нижню межу напруги розряду та верхню межу струму. Загалом, в літієвому акумуляторі, крім ядра літієвої батареї, буде захисна плата. Ця захисна дошка в основному забезпечує ці три засоби захисту. Однак цих трьох захистів захисної плати явно недостатньо, і по всьому світу все ще часті вибухи літієвих батарей. Щоб забезпечити безпеку акумуляторної системи, причину вибуху батареї необхідно проаналізувати більш ретельно.

Аналіз типу вибуху

Типи вибуху елемента батареї можна розділити на три типи: зовнішнє коротке замикання, внутрішнє коротке замикання та перезаряд. Зовнішня сторона тут відноситься до зовнішньої частини елемента батареї, включаючи короткі замикання, викликані поганою внутрішньою ізоляцією акумуляторної батареї.

Коли на зовнішній стороні елемента відбувається коротке замикання, і електронні компоненти не можуть розірвати ланцюг, всередині елемента буде вироблятися високе тепло, що призведе до випаровування частини електроліту та розширення оболонки батареї. Коли внутрішня температура батареї досягає 135 градусів за Цельсієм, якісний діафрагмовий папір закриє пори, електрохімічна реакція буде припинена або майже припинена, струм різко впаде, а температура буде повільно знижуватися, таким чином уникаючи вибух. Однак швидкість закриття пор занадто низька, або пори не закриті взагалі. Папір діафрагми призведе до того, що температура батареї буде продовжувати зростати, більше електроліту випарується, і, нарешті, оболонка батареї буде розбита, або навіть температура акумулятора підвищиться до. Матеріал горить і вибухає. Внутрішнє коротке замикання в основному викликано задирками мідної та алюмінієвої фольги, що пробивають діафрагму, або дендритними кристалами атомів літію, що пробивають діафрагму. Ці крихітні голчасті метали можуть викликати мікрокоротке замикання. Оскільки голка дуже тонка і має певне значення опору, струм не обов’язково великий.

Під час виробничого процесу виникають задирки з мідної та алюмінієвої фольги. Спостерігається явище полягає в тому, що батарея занадто швидко витікає, більшість з яких може бути перевірена заводом акумуляторних елементів або складальним заводом. Більше того, через дрібні задирки вони іноді підгоряться, в результаті чого батарея повертається в норму. Тому ймовірність вибуху через мікрокоротке замикання задирок невисока. Це твердження видно з того, що на різних заводах акумуляторних елементів часто бувають погані акумулятори з низькою напругою незабаром після зарядки, але вибухів мало, що підтверджується статистикою. Тому вибух, викликаний внутрішнім коротким замиканням, в основному викликаний перезарядкою. Оскільки після перезаряду на полюсній наконечнику скрізь є голчасті кристали металу літію, скрізь є точка проколу, і скрізь виникає мікрокоротке замикання. Тому температура акумулятора буде поступово підвищуватися, і, нарешті, висока температура призведе до газоутворення електроліту. У цьому випадку, чи то температура занадто висока, щоб спричинити горіння та вибух матеріалу, чи зовнішня оболонка спочатку розбита, що спричиняє проникнення повітря та окислення металу літію, це вибух.

Однак вибух, викликаний внутрішнім коротким замиканням, викликаним перезарядкою, не обов’язково відбувається під час заряджання. Можливо, що коли температура батареї недостатньо висока для спалювання матеріалу, а газу, що утворюється, недостатньо, щоб розбити корпус батареї, споживач перестане заряджатися і витягне мобільний телефон. У цей час тепло, що виділяється численними мікрокороткими замиканнями, повільно підвищує температуру батареї, і через деякий час вона вибухає. Загальний опис споживачів полягає в тому, що коли вони беруть телефон, вони виявляють, що телефон дуже гарячий, і вибухають після того, як його викинуть.

Виходячи з наведених вище типів вибухів, ми можемо зосередитися на трьох аспектах вибухозахисту: запобіганні перезаряду, запобіганню зовнішніх коротких замикань та підвищенню безпеки елемента. Серед них захист від перезаряду та зовнішнього короткого замикання належить до електронного захисту, який має більший зв’язок з конструкцією акумуляторної системи та збіркою батареї. У центрі уваги підвищення безпеки елементів батареї є хімічний та механічний захист, який має тісніші стосунки з виробниками акумуляторних елементів.