Les bateries de liti són el sistema de bateries de més ràpid creixement en els últims 20 anys i s'utilitzen àmpliament en productes electrònics. La recent explosió de telèfons mòbils i ordinadors portàtils és essencialment una explosió de la bateria. Com són les bateries de telèfons mòbils i portàtils, com funcionen, per què exploten i com evitar-les.
Els efectes secundaris comencen a produir-se quan la cèl·lula de liti es sobrecarrega a una tensió superior a 4,2 V. Com més gran sigui la pressió de sobrecàrrega, més gran és el risc. A tensions superiors a 4,2 V, quan menys de la meitat dels àtoms de liti queden al material del càtode, la cèl·lula d'emmagatzematge sovint es col·lapsa, provocant una disminució permanent de la capacitat de la bateria. Si la càrrega continua, els metalls de liti posteriors s'acumularan a la superfície del material del càtode, ja que la cel·la d'emmagatzematge del càtode ja està plena d'àtoms de liti. Aquests àtoms de liti creixen cristalls dendrítics des de la superfície del càtode en direcció als ions de liti. Els cristalls de liti passaran pel paper de diafragma, curtint l'ànode i el càtode. De vegades, la bateria explota abans que es produeixi un curtcircuit. Això es deu al fet que durant el procés de sobrecàrrega, materials com els electròlits s'esquerden per produir gas que fa que la carcassa de la bateria o la vàlvula de pressió s'inflen i esclatin, permetent que l'oxigen reaccioni amb els àtoms de liti acumulats a la superfície de l'elèctrode negatiu i exploti.
Per tant, quan es carrega la bateria de liti, cal establir el límit superior de tensió per tenir en compte la durada, la capacitat i la seguretat de la bateria. El límit superior ideal de tensió de càrrega és de 4,2 V. També hauria d'haver un límit de tensió inferior quan es descarreguen les cèl·lules de liti. Quan la tensió de la cel·la cau per sota dels 2,4 V, part del material comença a trencar-se. I com que la bateria s'autodescarrega, poseu més temps el voltatge serà més baix, per tant, és millor no descarregar 2,4 V per aturar-se. De 3,0 V a 2,4 V, les bateries de liti només alliberen al voltant del 3% de la seva capacitat. Per tant, 3,0 V és una tensió de tall de descàrrega ideal. Quan es carrega i es descarrega, a més del límit de tensió, també és necessari el límit de corrent. Quan el corrent és massa alt, els ions de liti no tenen temps d'entrar a la cel·la d'emmagatzematge, s'acumularan a la superfície del material.
A mesura que aquests ions guanyen electrons, cristal·litzen àtoms de liti a la superfície del material, fet que pot ser tan perillós com la sobrecàrrega. Si la caixa de la bateria es trenca, explotarà. Per tant, la protecció de la bateria d'ions de liti hauria d'incloure almenys el límit superior de la tensió de càrrega, el límit inferior de la tensió de descàrrega i el límit superior de corrent. En general, a més del nucli de la bateria de liti, hi haurà una placa de protecció, principalment per proporcionar aquestes tres protecció. No obstant això, la placa de protecció d'aquestes tres protecció, òbviament, no és suficient, els esdeveniments globals d'explosió de bateria de liti o freqüents. Per garantir la seguretat dels sistemes de bateries, cal una anàlisi més acurada de la causa de les explosions de les bateries.
Causa de l'explosió:
1. Gran polarització interna;
2.La peça polar absorbeix aigua i reacciona amb el tambor de gas electròlit;
3.La qualitat i el rendiment del propi electròlit;
4.La quantitat d'injecció de líquid no pot complir els requisits del procés;
5. El rendiment del segell de soldadura làser és baix en el procés de preparació i es detecta la fuita d'aire.
6. La pols i la pols de pols són fàcils de provocar primer microcurtcircuit;
7. Placa positiva i negativa més gruixuda que el rang de procés, difícil de desgranar;
8. Problema de segellat de la injecció de líquids, el mal rendiment de segellat de la bola d'acer condueix al tambor de gas;
9.La paret de la closca del material entrant és massa gruixuda, la deformació de la closca afecta el gruix;
10. L'alta temperatura ambient exterior també és la principal causa de l'explosió.
El tipus d'explosió
Anàlisi del tipus d'explosió Els tipus d'explosió del nucli de la bateria es poden classificar com a curtcircuit extern, curtcircuit intern i sobrecàrrega. L'exterior es refereix a l'exterior de la cèl·lula, inclòs el curtcircuit causat pel mal disseny d'aïllament de la bateria interna. Quan es produeix un curtcircuit fora de la cèl·lula i els components electrònics no aconsegueixen tallar el bucle, la cèl·lula generarà una gran calor a l'interior, fent que una part de l'electròlit es vaporitzi, la carcassa de la bateria. Quan la temperatura interna de la bateria és alta fins a 135 graus centígrads, el paper de diafragma de bona qualitat tancarà el forat fi, la reacció electroquímica s'acaba o gairebé s'acaba, el corrent cau i la temperatura també baixa lentament, evitant així l'explosió. . Però un paper de diafragma amb una velocitat de tancament deficient, o un que no tanca gens, mantindrà la bateria calenta, vaporitzarà més electròlit i, finalment, trencarà la carcassa de la bateria o fins i tot augmentarà la temperatura de la bateria fins al punt en què el material es crema. i explota. El curtcircuit intern és causat principalment per la rebava de paper de coure i paper d'alumini que perfora el diafragma, o els cristalls dendrítics d'àtoms de liti que travessen el diafragma.
Aquests metalls minúsculs, semblants a agulles, poden provocar microcurtcircuits. Com que l'agulla és molt prima i té un cert valor de resistència, el corrent no és necessàriament molt gran. Les rebaves del paper d'alumini de coure es produeixen en el procés de producció. El fenomen observat és que la bateria es filtra massa ràpid i la majoria d'elles poden ser eliminades per fàbriques de cèl·lules o plantes de muntatge. I com que les rebaves són petites, de vegades es cremen, fent que la bateria torni a la normalitat. Per tant, la probabilitat d'explosió causada per un micro curtcircuit de rebaves no és alta. Aquesta visió, sovint es pot carregar des de l'interior de cada fàbrica de cèl·lules, la tensió de la bateria baixa baixa, però rarament l'explosió, obtenir suport estadístic. Per tant, l'explosió causada per un curtcircuit intern és causada principalment per una sobrecàrrega. Com que hi ha cristalls de metall de liti semblants a agulles a tot arreu a la fulla d'elèctrode posterior sobrecarregada, els punts de punxada es troben a tot arreu i es produeixen micro-curtcircuits a tot arreu. Per tant, la temperatura de la cel·la augmentarà gradualment i, finalment, l'alta temperatura electròlit gasos. Aquesta situació, tant si la temperatura és massa alta per fer l'explosió de la combustió del material, com si la closca es va trencar per primera vegada, de manera que l'aire i l'oxidació ferotge del metall de liti són el final de l'explosió.
Però aquesta explosió, causada per un curtcircuit intern causat per una sobrecàrrega, no es produeix necessàriament en el moment de la càrrega. És possible que els consumidors deixin de carregar i treguin els seus telèfons abans que la bateria estigui prou calenta com per cremar materials i produir prou gas per rebentar la carcassa de la bateria. La calor generada pels nombrosos curtcircuits escalfa lentament la bateria i, al cap d'un temps, explota. La descripció habitual dels consumidors és que van agafar el telèfon i van trobar que estava molt calent, després el van llençar i va explotar. A partir dels tipus d'explosió anteriors, podem centrar-nos en la prevenció de la sobrecàrrega, la prevenció de curtcircuits externs i millorar la seguretat de la cèl·lula. Entre ells, la prevenció de sobrecàrregues i curtcircuits externs pertany a la protecció electrònica, que està molt relacionada amb el disseny del sistema de bateries i el paquet de bateries. El punt clau de la millora de la seguretat cel·lular és la protecció química i mecànica, que té una gran relació amb els fabricants de cèl·lules.
Problema ocult segur
La seguretat de la bateria d'ions de liti no només està relacionada amb la naturalesa del material de la cèl·lula, sinó també amb la tecnologia de preparació i l'ús de la bateria. Les bateries dels telèfons mòbils sovint exploten, d'una banda, a causa de la fallada del circuit de protecció, però el que és més important, l'aspecte material no ha resolt fonamentalment el problema.
El material actiu del càtode de liti àcid de cobalt és un sistema molt madur en bateries petites, però després d'una càrrega completa, encara hi ha molts ions de liti a l'ànode, quan es sobrecarreguen, s'espera que romanguin a l'ànode d'ions de liti a l'ànode. , es forma a la dendrita del càtode utilitza un corol·lari de sobrecàrrega de bateria de liti àcid cobalt, fins i tot en el procés normal de càrrega i descàrrega, també pot haver-hi un excés d'ions de liti lliures a l'elèctrode negatiu per formar dendrites. L'energia específica teòrica del material de cobalat de liti és de més de 270 mah/g, però la capacitat real és només la meitat de la capacitat teòrica per garantir el seu rendiment ciclable. En el procés d'ús, per algun motiu (com ara danys al sistema de gestió) i la tensió de càrrega de la bateria és massa alta, la part restant de liti de l'elèctrode positiu s'eliminarà, a través de l'electròlit a la superfície de l'elèctrode negatiu a la forma de deposició de metall de liti per formar dendrites. Les dendrites Perforen el diafragma, creant un curtcircuit intern.
El component principal de l'electròlit és el carbonat, que té un baix punt d'inflamació i un baix punt d'ebullició. Es cremarà o fins i tot explotarà en determinades condicions. Si la bateria es sobreescalfa, provocarà l'oxidació i la reducció del carbonat de l'electròlit, donant lloc a una gran quantitat de gas i més calor. Si no hi ha vàlvula de seguretat o el gas no s'allibera a través de la vàlvula de seguretat, la pressió interna de la bateria augmentarà bruscament i provocarà una explosió.
La bateria d'ions de liti d'electròlit de polímer no soluciona fonamentalment el problema de seguretat, també s'utilitzen àcid de cobalt de liti i electròlit orgànic, i l'electròlit és col·loïdal, no és fàcil de filtrar, es produirà una combustió més violenta, la combustió és el major problema de seguretat de la bateria de polímer.
També hi ha alguns problemes amb l'ús de la bateria. Un curtcircuit extern o intern pot produir uns quants centenars d'amperes de corrent excessiu. Quan es produeix un curtcircuit extern, la bateria descarrega instantàniament un gran corrent, consumint una gran quantitat d'energia i generant una gran calor a la resistència interna. El curtcircuit intern forma un gran corrent i la temperatura augmenta, fent que el diafragma es fongui i l'àrea del curtcircuit s'expandeixi, formant així un cercle viciós.
La bateria d'ions de liti per tal d'aconseguir una sola cel·la de 3 ~ 4,2 V d'alta tensió de treball, ha de tenir la descomposició de la tensió és superior a l'electròlit orgànic de 2 V, i l'ús d'electròlits orgànics en condicions d'alta temperatura i corrent serà electrolitzat, electrolític. gasos, donant lloc a un augment de la pressió interna, es trencarà greument la closca.
La sobrecàrrega pot precipitar el metall de liti, en el cas de la ruptura de la closca, el contacte directe amb l'aire, donant lloc a la combustió, al mateix temps electròlit d'ignició, flama forta, ràpida expansió del gas, explosió.
A més, per a la bateria d'ions de liti per a telèfons mòbils, a causa d'un ús inadequat, com ara l'extrusió, l'impacte i la ingesta d'aigua, provoca l'expansió, la deformació i l'esquerda de la bateria, etc., que provocarà un curtcircuit de la bateria en el procés de descàrrega o càrrega causat. per explosió de calor.
Seguretat de les bateries de liti:
Per tal d'evitar la sobredescàrrega o la sobrecàrrega causada per un ús inadequat, el mecanisme de protecció triple s'estableix en una bateria d'ions de liti individual. Un és l'ús d'elements de commutació, quan la temperatura de la bateria augmenta, la seva resistència augmentarà, quan la temperatura sigui massa alta, aturarà automàticament la font d'alimentació; El segon és triar el material de partició adequat, quan la temperatura augmenta a un cert valor, els porus de micres de la partició es dissolen automàticament, de manera que els ions de liti no poden passar, la reacció interna de la bateria s'atura; El tercer és configurar la vàlvula de seguretat (és a dir, el forat de ventilació a la part superior de la bateria). Quan la pressió interna de la bateria augmenta a un determinat valor, la vàlvula de seguretat s'obrirà automàticament per garantir la seguretat de la bateria.
De vegades, tot i que la pròpia bateria té mesures de control de seguretat, però per alguns motius causats per la fallada de control, la manca de vàlvula de seguretat o gas no té temps d'alliberar-se a través de la vàlvula de seguretat, la pressió interna de la bateria augmentarà bruscament i provocarà una explosió. En general, l'energia total emmagatzemada a les bateries d'ions de liti és inversament proporcional a la seva seguretat. A mesura que augmenta la capacitat de la bateria, el volum de la bateria també augmenta, el seu rendiment de dissipació de calor es deteriora i la possibilitat d'accidents augmentarà molt. Per a les bateries d'ions de liti utilitzades en telèfons mòbils, el requisit bàsic és que la probabilitat d'accidents de seguretat sigui inferior a un entre un milió, que també és l'estàndard mínim acceptable per al públic. Per a bateries d'ions de liti de gran capacitat, especialment per a automòbils, és molt important adoptar la dissipació de calor forçada.
La selecció de materials d'elèctrode més segurs, material d'òxid de manganès de liti, en termes d'estructura molecular per garantir que en estat de càrrega completa, els ions de liti de l'elèctrode positiu s'han incrustat completament al forat de carboni negatiu, evita fonamentalment la generació de dendrites. Al mateix temps, l'estructura estable de l'àcid de liti manganès, de manera que el seu rendiment d'oxidació és molt inferior al de l'àcid de liti cobalt, la temperatura de descomposició de l'àcid de liti cobalt superior a 100 ℃, fins i tot a causa d'un curtcircuit extern extern (agulla), extern curtcircuit, sobrecàrrega, també pot evitar completament el perill de combustió i explosió causada pel metall de liti precipitat.
A més, l'ús de material de manganat de liti també pot reduir considerablement el cost.
Per millorar el rendiment de la tecnologia de control de seguretat existent, primer hem de millorar el rendiment de seguretat del nucli de la bateria d'ions de liti, que és especialment important per a bateries de gran capacitat. Trieu un diafragma amb un bon rendiment de tancament tèrmic. El paper del diafragma és aïllar els pols positius i negatius de la bateria alhora que permet el pas dels ions de liti. Quan la temperatura augmenta, la membrana es tanca abans que es fongui, augmentant la resistència interna a 2.000 ohms i tancant la reacció interna. Quan la pressió o la temperatura interna assoleixin l'estàndard preestablert, la vàlvula a prova d'explosió s'obrirà i començarà a alleujar la pressió per evitar l'acumulació excessiva de gas intern, la deformació i, finalment, provocar l'esclat de la closca. Milloreu la sensibilitat del control, seleccioneu paràmetres de control més sensibles i adopteu el control combinat de múltiples paràmetres (que és particularment important per a bateries de gran capacitat). Per al paquet de bateries d'ions de liti de gran capacitat és una composició de cèl·lules múltiples en sèrie/paral·lel, com ara la tensió de l'ordinador portàtil és superior a 10 V, una gran capacitat, generalment, utilitzant 3 a 4 sèries de bateries individuals poden complir els requisits de tensió, i després 2 a 3 sèries de paquet de bateries paral·lel, per tal de garantir una gran capacitat.
El propi paquet de bateries d'alta capacitat ha d'estar equipat amb una funció de protecció relativament perfecta, i també s'han de tenir en compte dos tipus de mòduls de placa de circuit: el mòdul ProtecTIonBoardPCB i el mòdul SmartBatteryGaugeBoard. Tot el disseny de protecció de la bateria inclou: IC de protecció de nivell 1 (evitar la sobrecàrrega de la bateria, sobredescàrrega, curtcircuit), IC de protecció de nivell 2 (evitar la segona sobretensió), fusible, indicador LED, regulació de temperatura i altres components. Sota el mecanisme de protecció multinivell, fins i tot en el cas d'un carregador d'alimentació i un ordinador portàtil anormals, la bateria del portàtil només es pot canviar a l'estat de protecció automàtica. Si la situació no és greu, sovint funciona amb normalitat després de ser endollat i eliminat sense explosió.
La tecnologia subjacent que s'utilitza en les bateries d'ions de liti utilitzades en ordinadors portàtils i telèfons mòbils és insegura i cal tenir en compte les estructures més segures.
En conclusió, amb el progrés de la tecnologia dels materials i l'aprofundiment de la comprensió de la gent dels requisits per al disseny, fabricació, prova i ús de bateries d'ions de liti, el futur de les bateries d'ions de liti serà més segur.
Hora de publicació: Mar-07-2022