Litiumbatterier är det snabbast växande batterisystemet under de senaste 20 åren och används ofta i elektroniska produkter. Den senaste tidens explosion av mobiltelefoner och bärbara datorer är i grunden en batteriexplosion. Hur batterier till mobiltelefoner och bärbara datorer ser ut, hur de fungerar, varför de exploderar och hur man undviker dem.
Biverkningar börjar uppstå när litiumcellen överladdas till en spänning högre än 4,2V. Ju högre överladdningstryck desto högre risk. Vid spänningar högre än 4,2V, när mindre än hälften av litiumatomerna finns kvar i katodmaterialet, kollapsar lagringscellen ofta, vilket orsakar en permanent minskning av batterikapaciteten. Om laddningen fortsätter kommer efterföljande litiummetaller att lägga sig på ytan av katodmaterialet, eftersom katodens lagringscell redan är full av litiumatomer. Dessa litiumatomer växer dendritiska kristaller från katodytan i riktning mot litiumjonerna. Litiumkristallerna kommer att passera genom diafragmapapperet och kortsluter anoden och katoden. Ibland exploderar batteriet innan en kortslutning inträffar. Det beror på att under överladdningsprocessen spricker material som elektrolyter för att producera gas som får batterihöljet eller tryckventilen att svälla och brista, vilket gör att syre kan reagera med litiumatomer som samlats på ytan av den negativa elektroden och explodera.
Därför, när litiumbatteriet laddas, är det nödvändigt att ställa in den övre spänningsgränsen för att ta hänsyn till batteriets livslängd, kapacitet och säkerhet. Den idealiska övre gränsen för laddningsspänningen är 4,2V. Det bör också finnas en lägre spänningsgräns när litiumceller laddas ur. När cellspänningen faller under 2,4V börjar en del av materialet att brytas ner. Och eftersom batteriet kommer att självurladdas, sätta ju längre spänningen kommer att vara lägre, därför är det bäst att inte ladda ur 2,4V för att stoppa. Från 3,0 V till 2,4 V släpper litiumbatterier endast cirka 3 % av sin kapacitet. Därför är 3,0V en idealisk urladdningsgränsspänning. Vid laddning och urladdning är, förutom spänningsgränsen, även strömgränsen nödvändig. När strömmen är för hög, litiumjoner inte har tid att komma in i lagringscellen, kommer att ackumuleras på ytan av materialet.
När dessa joner får elektroner kristalliserar de litiumatomer på ytan av materialet, vilket kan vara lika farligt som överladdning. Om batterihöljet går sönder kommer det att explodera. Därför bör skyddet av litiumjonbatterier åtminstone inkludera den övre gränsen för laddningsspänning, den nedre gränsen för urladdningsspänningen och den övre gränsen för strömmen. I allmänhet kommer det förutom litiumbatteriets kärna att finnas en skyddsplatta, som främst ska ge dessa tre skydd. Men skyddet plattan av dessa tre skydd är uppenbarligen inte tillräckligt, den globala litiumbatteri explosion händelser eller frekvent. För att säkerställa batterisystemens säkerhet behövs en noggrannare analys av orsaken till batteriexplosioner.
Orsak till explosionen:
1. Stor intern polarisation;
2. Polstycket absorberar vatten och reagerar med elektrolytgastrumman;
3. Elektrolytens kvalitet och prestanda;
4. Mängden vätskeinjektion kan inte uppfylla processkraven;
5. Lasersvetsningens prestanda är dålig i förberedelseprocessen och luftläckaget detekteras.
6. Damm och polstycksdamm är lätta att orsaka mikrokortslutning först;
7.Positiv och negativ platta tjockare än processområdet, svår att skala;
8. Tätningsproblem vid vätskeinsprutning, dålig tätningsprestanda hos stålkulan leder till gastrumma;
9. Skalets inkommande material skalväggen är för tjock, skaldeformationen påverkar tjockleken;
10. Den höga omgivningstemperaturen utomhus är också den främsta orsaken till explosionen.
Explosionstypen
Explosionstyp Analys Typerna av batterikärnexplosion kan klassificeras som extern kortslutning, intern kortslutning och överladdning. Det yttre avser här cellens yttre, inklusive kortslutningen som orsakas av den dåliga isoleringsdesignen hos det interna batteripaketet. När en kortslutning uppstår utanför cellen, och de elektroniska komponenterna inte lyckas skära av slingan, kommer cellen att generera hög värme inuti, vilket gör att en del av elektrolyten förångas, batteriskalet. När batteriets inre temperatur är hög till 135 grader Celsius, kommer membranpapperet av god kvalitet att stänga det fina hålet, den elektrokemiska reaktionen avslutas eller nästan avslutas, strömmen faller och temperaturen sjunker också långsamt, vilket undviker explosionen . Men ett membranpapper med dålig stängningshastighet, eller ett som inte stänger alls, kommer att hålla batteriet varmt, förånga mer elektrolyt och så småningom spränga batterihöljet, eller till och med höja batteriets temperatur till den punkt där materialet brinner och exploderar. Den interna kortslutningen orsakas huvudsakligen av att det borrar av kopparfolie och aluminiumfolie som tränger igenom membranet, eller att de 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 särskilt stor. Graderna av koppar-aluminiumfolie orsakas i produktionsprocessen. Det observerade fenomenet är att batteriet läcker för snabbt, och de flesta av dem kan silas bort av cellfabriker eller monteringsfabriker. Och eftersom graderna är små brinner de ibland av, vilket gör att batteriet återgår till det normala. Därför är sannolikheten för explosion orsakad av borrmikrokortslutning inte hög. En sådan uppfattning, kan ofta ladda från insidan av varje cell fabrik, spänningen på låg dåligt batteri, men sällan explosion, få statistiskt stöd. Därför orsakas explosionen som orsakas av intern kortslutning huvudsakligen av överladdning. Eftersom det finns nålliknande litiummetallkristaller överallt på det överladdade bakre elektrodskiktet, finns punkteringspunkter överallt och mikrokortslutning uppstår överallt. Därför kommer celltemperaturen gradvis att stiga, och slutligen kommer den höga temperaturen att elektrolytera gas. Denna situation, oavsett om temperaturen är för hög för att göra materialet förbränning explosion, eller skalet först bröts, så att luften i och litium metall hård oxidation, är slutet på explosionen.
Men en sådan explosion, orsakad av en intern kortslutning orsakad av överladdning, inträffar inte nödvändigtvis vid laddningstillfället. Det är möjligt att konsumenter slutar ladda och tar ut sina telefoner innan batteriet är tillräckligt varmt för att bränna material och producera tillräckligt med gas för att spränga batterihöljet. Värmen som genereras av de många kortslutningarna värmer långsamt batteriet och exploderar efter en tid. Den vanliga beskrivningen av konsumenter är att de tog upp telefonen och upptäckte att den var väldigt varm och sedan kastade den och exploderade. Baserat på ovanstående typer av explosioner kan vi fokusera på att förhindra överladdning, förhindra extern kortslutning och förbättra cellens säkerhet. Bland dem hör förhindrandet av överladdning och extern kortslutning till elektroniskt skydd, vilket i hög grad är relaterat till utformningen av batterisystemet och batteripaketet. Nyckelpunkten för att förbättra cellsäkerheten är kemiskt och mekaniskt skydd, som har en stor relation med celltillverkare.
Säkra dolda problem
Säkerheten för litiumjonbatterier är inte bara relaterad till själva cellmaterialets natur, utan också relaterad till förberedelsetekniken och användningen av batteriet. Mobiltelefonbatterier exploderar ofta, å ena sidan, på grund av fel i skyddskretsen, men ännu viktigare, den materiella aspekten har inte löst problemet i grunden.
Koboltsyra litiumkatodaktivt material är ett mycket moget system i små batterier, men efter full laddning finns det fortfarande en hel del litiumjoner vid anoden, när överladdning, kvarvarande i anoden av litiumjon förväntas flockas till anoden , bildas på katoden dendrit använder koboltsyra litiumbatteri överladdning följd, även i normal laddning och urladdningsprocessen, Det kan också finnas överskott av litiumjoner fria till den negativa elektroden för att bilda dendriter. Den teoretiska specifika energin för litiumkobalatmaterial är mer än 270 mah/g, men den faktiska kapaciteten är bara hälften av den teoretiska kapaciteten för att säkerställa dess cykelprestanda. Under användningsprocessen, av någon anledning (som skador på ledningssystemet) och batteriladdningsspänningen är för hög, kommer den återstående delen av litium i den positiva elektroden att avlägsnas, genom elektrolyten till den negativa elektrodens yta i formen av litiummetallavsättning för att bilda dendriter. Dendriter Genomborrar membranet och skapar en intern kortslutning.
Huvudkomponenten i elektrolyten är karbonat, som har en låg flampunkt och en låg kokpunkt. Det kommer att brinna eller till och med explodera under vissa förhållanden. Om batteriet överhettas kommer det att leda till oxidation och reduktion av karbonatet i elektrolyten, vilket resulterar i mycket gas och mer värme. Om det inte finns någon säkerhetsventil eller om gasen inte släpps ut genom säkerhetsventilen kommer det interna trycket i batteriet att stiga kraftigt och orsaka en explosion.
Polymerelektrolyt litiumjonbatteri löser inte i grunden säkerhetsproblemet, litiumkoboltsyra och organisk elektrolyt används också, och elektrolyten är kolloidal, inte lätt att läcka, kommer att uppstå mer våldsam förbränning, förbränning är det största problemet med polymerbatterisäkerhet.
Det finns även vissa problem med användningen av batteriet. En extern eller intern kortslutning kan producera några hundra ampere för hög ström. När en extern kortslutning inträffar laddar batteriet omedelbart ur en stor ström, förbrukar en stor mängd energi och genererar enorm värme på det inre motståndet. Den interna kortslutningen bildar en stor ström, och temperaturen stiger, vilket gör att membranet smälter och kortslutningsområdet expanderar, vilket bildar en ond cirkel.
Litiumjonbatteri för att uppnå en enda cell 3 ~ 4,2V hög arbetsspänning, måste ta nedbrytningen av spänningen är större än 2V organisk elektrolyt, och användningen av organisk elektrolyt i hög ström, höga temperaturer kommer att elektrolyseras, elektrolytisk gas, vilket resulterar i ökat inre tryck, allvarlig kommer att bryta igenom skalet.
Överladdning kan fälla ut litiummetall, i fallet med skalbrott, direkt kontakt med luft, vilket resulterar i förbränning, samtidigt antändningselektrolyt, stark låga, snabb expansion av gas, explosion.
Dessutom, för mobiltelefon litiumjonbatteri, på grund av felaktig användning, såsom extrudering, stötar och vattenintag leder till batteriexpansion, deformation och sprickbildning, etc., vilket kommer att leda till batterikortslutning, i urladdnings- eller laddningsprocessen som orsakas genom värmeexplosion.
Säkerhet för litiumbatterier:
För att undvika överladdning eller överladdning orsakad av felaktig användning, är trippelskyddsmekanismen inställd i ett litiumjonbatteri. En är användningen av omkopplingselement, när temperaturen på batteriet stiger, kommer dess motstånd att stiga, när temperaturen är för hög, kommer automatiskt att stoppa strömförsörjningen; Det andra är att välja lämpligt partitionsmaterial, när temperaturen stiger till ett visst värde, kommer mikronporerna på partitionen automatiskt att lösas upp, så att litiumjoner inte kan passera, batteriets interna reaktion stannar; Den tredje är att sätta upp säkerhetsventilen (det vill säga ventilationshålet på toppen av batteriet). När batteriets inre tryck stiger till ett visst värde öppnas säkerhetsventilen automatiskt för att säkerställa batteriets säkerhet.
Ibland, även om batteriet i sig har säkerhetskontrollåtgärder, men på grund av vissa orsaker orsakade av kontrollfelet, har bristen på säkerhetsventil eller gas ingen tid att släppa genom säkerhetsventilen, kommer batteriets inre tryck att stiga kraftigt och orsaka en explosion. I allmänhet är den totala energin som lagras i litiumjonbatterier omvänt proportionell mot deras säkerhet. När batteriets kapacitet ökar, ökar också batteriets volym, och dess värmeavledningsprestanda försämras, och risken för olyckor kommer att öka avsevärt. För litiumjonbatterier som används i mobiltelefoner är grundkravet att sannolikheten för säkerhetsolyckor ska vara mindre än en på miljonen, vilket också är den minimistandard som är acceptabel för allmänheten. För litiumjonbatterier med stor kapacitet, särskilt för bilar, är det mycket viktigt att använda påtvingad värmeavledning.
Valet av säkrare elektrodmaterial, litiummanganoxidmaterial, när det gäller molekylstruktur för att säkerställa att litiumjonerna i den positiva elektroden i fullt laddningstillstånd har helt inbäddats i det negativa kolhålet, undviker i grunden generering av dendriter. Samtidigt är den stabila strukturen av litiummangansyra, så att dess oxidationsprestanda är mycket lägre än litiumkoboltsyra, nedbrytningstemperaturen för litiumkoboltsyra mer än 100 ℃, även på grund av extern extern kortslutning (nålning), extern kortslutning, överladdning, kan också helt undvika faran för förbränning och explosion orsakad av utfälld litiummetall.
Dessutom kan användningen av litiummanganatmaterial också kraftigt minska kostnaderna.
För att förbättra prestandan hos den befintliga säkerhetskontrolltekniken måste vi först förbättra säkerhetsprestandan hos litiumjonbatterikärnan, vilket är särskilt viktigt för batterier med stor kapacitet. Välj ett membran med god termisk stängningsförmåga. Membranets roll är att isolera de positiva och negativa polerna på batteriet samtidigt som det tillåter passage av litiumjoner. När temperaturen stiger stängs membranet innan det smälter, vilket höjer det inre motståndet till 2 000 ohm och stänger av den inre reaktionen. När det interna trycket eller temperaturen når den förinställda standarden öppnas den explosionssäkra ventilen och börjar avlasta trycket för att förhindra överdriven ackumulering av intern gas, deformation och så småningom leda till att skalet brister. Förbättra kontrollkänsligheten, välj känsligare kontrollparametrar och använd den kombinerade kontrollen av flera parametrar (vilket är särskilt viktigt för batterier med stor kapacitet). För stor kapacitet litiumjonbatteripaket är en serie/parallell multipelcellssammansättning, såsom bärbar dators spänning är mer än 10V, stor kapacitet, i allmänhet med 3 till 4 enkelbatteriserier kan uppfylla spänningskraven, och sedan 2 till 3 serier av batteripaket parallellt, för att säkerställa stor kapacitet.
Själva batteripaketet med hög kapacitet måste vara utrustat med en relativt perfekt skyddsfunktion, och två typer av kretskortsmoduler bör också övervägas: ProtecTIONBoardPCB-modul och SmartBatteryGaugeBoard-modul. Hela batteriskyddsdesignen inkluderar: nivå 1 skydd IC (förhindra batteri överladdning, överurladdning, kortslutning), nivå 2 skydd IC (förhindra andra överspänning), säkring, LED-indikator, temperaturreglering och andra komponenter. Under flernivåskyddsmekanismen, även vid onormal strömladdare och bärbar dator, kan den bärbara datorns batteri endast växlas till automatiskt skyddstillstånd. Om situationen inte är allvarlig fungerar den ofta normalt efter att ha pluggats och tagits bort utan explosion.
Den underliggande tekniken som används i litiumjonbatterier som används i bärbara datorer och mobiltelefoner är osäker, och säkrare strukturer måste övervägas.
Sammanfattningsvis, med framstegen inom materialteknik och fördjupningen av människors förståelse för kraven för design, tillverkning, testning och användning av litiumjonbatterier, kommer framtiden för litiumjonbatterier att bli säkrare.
Posttid: 2022-07-07