As baterías de litio son o sistema de baterías de máis rápido crecemento nos últimos 20 anos e úsanse amplamente en produtos electrónicos. A recente explosión de teléfonos móbiles e portátiles é esencialmente unha explosión da batería. Como son as baterías de teléfonos móbiles e portátiles, como funcionan, por que explotan e como evitalas.
Os efectos secundarios comezan a producirse cando a pila de litio se sobrecarga a unha tensión superior a 4,2 V. Canto maior sexa a presión de sobrecarga, maior será o risco. A tensións superiores a 4,2 V, cando menos da metade dos átomos de litio quedan no material do cátodo, a célula de almacenamento adoita colapsar, provocando unha diminución permanente da capacidade da batería. Se a carga continúa, os metais de litio posteriores acumularanse na superficie do material do cátodo, xa que a célula de almacenamento do cátodo xa está chea de átomos de litio. Estes átomos de litio fan crecer cristais dendríticos desde a superficie do cátodo na dirección dos ións de litio. Os cristais de litio atravesarán o papel de diafragma, acortando o ánodo e o cátodo. Ás veces, a batería explota antes de que se produza un curtocircuíto. Isto débese a que durante o proceso de sobrecarga, materiais como os electrólitos rachan para producir gas que fai que a carcasa da batería ou a válvula de presión se inchen e rebente, permitindo que o osíxeno reaccione cos átomos de litio acumulados na superficie do electrodo negativo e exploten.
Polo tanto, cando se carga a batería de litio, é necesario establecer o límite superior de tensión para ter en conta a duración, a capacidade e a seguridade da batería. O límite superior ideal da tensión de carga é de 4,2 V. Tamén debería haber un límite de tensión inferior cando se descargan as células de litio. Cando a tensión da cela cae por debaixo dos 2,4 V, parte do material comeza a romperse. E debido a que a batería se autodescargará, coloque canto máis tempo sexa a tensión máis baixa, polo tanto, é mellor non descargar 2,4 V para parar. De 3,0 V a 2,4 V, as baterías de litio liberan só un 3% da súa capacidade. Polo tanto, 3,0 V é unha tensión de corte de descarga ideal. Cando se carga e se descarga, ademais do límite de tensión, tamén é necesario o límite de corrente. Cando a corrente é demasiado alta, os ións de litio non teñen tempo para entrar na célula de almacenamento, acumularanse na superficie do material.
A medida que estes ións gañan electróns, cristalizan átomos de litio na superficie do material, o que pode ser tan perigoso como a sobrecarga. Se a caixa da batería se rompe, explotará. Polo tanto, a protección da batería de iones de litio debe incluír polo menos o límite superior de tensión de carga, o límite inferior de tensión de descarga e o límite superior de corrente. En xeral, ademais do núcleo da batería de litio, haberá unha placa de protección, que é principalmente para proporcionar estes tres protección. Con todo, a placa de protección destes tres protección, obviamente, non é suficiente, os eventos globais de explosión da batería de litio ou frecuentes. Para garantir a seguridade dos sistemas de batería, é necesaria unha análise máis coidadosa da causa das explosións das baterías.
Causa da explosión:
1. Gran polarización interna;
2.A peza polar absorbe auga e reacciona co tambor de gas electrólito;
3.A calidade e o rendemento do propio electrólito;
4.A cantidade de inxección de líquido non pode cumprir os requisitos do proceso;
5. O rendemento do selado de soldadura con láser é pobre no proceso de preparación e detéctase a fuga de aire.
6. O po e o po pola peza son fáciles de causar primeiro microcurtocircuíto;
7.Placa positiva e negativa máis grosa que o intervalo de proceso, difícil de descascar;
8. Problema de selado da inxección de líquido, o mal rendemento de selado da bola de aceiro leva ao tambor de gas;
9.A parede do material entrante da casca é demasiado grosa, a deformación da casca afecta ao grosor;
10. A alta temperatura ambiente exterior tamén é a principal causa da explosión.
O tipo de explosión
Análise do tipo de explosión Os tipos de explosión do núcleo da batería pódense clasificar en curtocircuíto externo, curtocircuíto interno e sobrecarga. O externo aquí refírese ao exterior da célula, incluído o curtocircuíto causado polo mal deseño de illamento da batería interna. Cando se produce un curtocircuíto fóra da célula e os compoñentes electrónicos non logran cortar o bucle, a célula xerará calor no interior, facendo que parte do electrólito se evapore, a carcasa da batería. Cando a temperatura interna da batería é de 135 graos Celsius, o papel de diafragma de boa calidade pechará o burato fino, a reacción electroquímica termina ou case remata, a corrente cae e a temperatura tamén baixa lentamente, evitando así a explosión. . Pero un papel de diafragma cunha taxa de peche deficiente, ou que non se pecha en absoluto, manterá a batería quente, vaporizará máis electrólitos e, finalmente, romperá a carcasa da batería ou mesmo elevará a temperatura da batería ata o punto no que o material arde. e estoupa. O curtocircuíto interno é causado principalmente pola rebaba de folla de cobre e aluminio que atravesa o diafragma, ou os cristais dendríticos de átomos de litio que perforan o diafragma.
Estes metais minúsculos, semellantes a agullas, poden causar microcurtocircuítos. Debido a que a agulla é moi delgada e ten un certo valor de resistencia, a corrente non é necesariamente moi grande. As rebabas da folla de aluminio de cobre son causadas no proceso de produción. O fenómeno observado é que a batería filtra demasiado rápido, e a maioría delas poden ser eliminadas por fábricas de células ou plantas de montaxe. E debido a que as rebabas son pequenas, ás veces queiman, facendo que a batería volva á normalidade. Polo tanto, a probabilidade de explosión causada por un microcurtocircuíto de rebabas non é alta. Tal vista, moitas veces pode cargar desde o interior de cada fábrica de células, a tensión na batería baixa e mala, pero raramente explosión, obter apoio estatístico. Polo tanto, a explosión causada por curtocircuíto interno é causada principalmente pola sobrecarga. Debido a que hai cristais de metal de litio en forma de agulla en todas partes da folla de electrodo traseiro sobrecargada, os puntos de perforación están en todas partes e os microcurtocircuítos ocorren en todas partes. Polo tanto, a temperatura da célula aumentará gradualmente e, finalmente, a alta temperatura vai electrolito gas. Esta situación, se a temperatura é demasiado alta para facer a explosión da combustión do material, ou se rompeu a capa por primeira vez, de xeito que o aire dentro e a feroz oxidación do metal de litio, son o final da explosión.
Pero tal explosión, causada por un curtocircuíto interno causado pola sobrecarga, non necesariamente ocorre no momento da carga. É posible que os consumidores deixen de cargar e saquen os seus teléfonos antes de que a batería estea o suficientemente quente como para queimar materiais e producir gas suficiente para romper a carcasa da batería. A calor xerada polos numerosos curtocircuítos quenta lentamente a batería e, ao cabo dun tempo, explota. A descrición común dos consumidores é que colleron o teléfono e descubriron que estaba moi quente, despois botárono e explotou. En función dos tipos de explosión anteriores, podemos centrarnos na prevención da sobrecarga, na prevención de curtocircuítos externos e na mellora da seguridade da cela. Entre eles, a prevención de sobrecarga e curtocircuíto externo pertence á protección electrónica, que está moi relacionada co deseño do sistema de batería e do paquete de baterías. O punto clave da mellora da seguridade das células é a protección química e mecánica, que ten unha gran relación cos fabricantes de células.
Problemas ocultos seguros
A seguridade da batería de iones de litio non só está relacionada coa natureza do propio material da célula, senón tamén coa tecnoloxía de preparación e o uso da batería. As baterías dos teléfonos móbiles adoitan explotar, por unha banda, debido á falla do circuíto de protección, pero o máis importante é que o aspecto material non resolveu fundamentalmente o problema.
O material activo do cátodo de litio de ácido cobalto é un sistema moi maduro en baterías pequenas, pero despois dunha carga completa, aínda hai moitos ións de litio no ánodo, cando se sobrecarga, espérase que queden no ánodo de ión de litio que se acheguen ao ánodo. , Fórmase na dendrita do cátodo está usando corolario de sobrecarga de batería de litio de ácido cobalto, mesmo no proceso normal de carga e descarga, Tamén pode haber exceso de ións de litio libre para o electrodo negativo para formar dendritas. A enerxía específica teórica do material de cobalato de litio é superior a 270 mah/g, pero a capacidade real é só a metade da capacidade teórica para garantir o seu rendemento cíclico. No proceso de uso, debido a algún motivo (como danos no sistema de xestión) e a tensión de carga da batería é demasiado alta, a parte restante de litio no electrodo positivo será eliminada, a través do electrólito ata a superficie do electrodo negativo. a forma de deposición de litio metálico para formar dendritas. Dendritas Perforan o diafragma, creando un curtocircuíto interno.
O compoñente principal do electrólito é o carbonato, que ten un punto de inflamación baixo e un punto de ebulición baixo. Arderá ou mesmo explotará en determinadas condicións. Se a batería se sobrequenta, provocará a oxidación e redución do carbonato do electrólito, o que provocará moito gas e máis calor. Se non hai válvula de seguridade ou o gas non se libera a través da válvula de seguridade, a presión interna da batería aumentará bruscamente e provocará unha explosión.
A batería de iones de litio de electrólitos de polímero non resolve fundamentalmente o problema de seguridade, tamén se usa o ácido de cobalto de litio e o electrólito orgánico e o electrólito é coloidal, non é fácil de filtrar, producirase unha combustión máis violenta, a combustión é o maior problema de seguridade da batería de polímero.
Tamén hai algúns problemas co uso da batería. Un curtocircuíto externo ou interno pode producir uns centos de amperes de corrente excesiva. Cando se produce un curtocircuíto externo, a batería descarga instantáneamente unha gran corrente, consumindo unha gran cantidade de enerxía e xerando unha enorme calor na resistencia interna. O curtocircuíto interno forma unha gran corrente e a temperatura aumenta, o que fai que o diafragma se derrita e a área de curtocircuíto se expanda, formando así un círculo vicioso.
Batería de iones de litio para acadar unha única célula 3 ~ 4,2 V de alta tensión de traballo, debe tomar a descomposición da tensión é maior que 2 V electrólito orgánico, e o uso de electrólito orgánico en alta corrente, condicións de alta temperatura será electrolítico, electrolítico gas, resultando en aumento da presión interna, grave vai romper a capa.
A sobrecarga pode precipitar o litio metálico, no caso de rotura da casca, contacto directo co aire, resultando en combustión, ao mesmo tempo electrólito de ignición, chama forte, rápida expansión do gas, explosión.
Ademais, para a batería de iones de litio do teléfono móbil, debido ao uso inadecuado, como a extrusión, o impacto e a inxestión de auga, provocan expansión, deformación e rachaduras da batería, etc., o que provocará un curtocircuíto da batería no proceso de descarga ou carga. por explosión de calor.
Seguridade das baterías de litio:
Para evitar sobrecarga ou sobrecarga causada por un uso inadecuado, o mecanismo de protección triple está configurado nunha única batería de iones de litio. Un é o uso de elementos de conmutación, cando a temperatura da batería aumenta, a súa resistencia aumentará, cando a temperatura é demasiado alta, parará automaticamente a fonte de alimentación; O segundo é escoller o material de partición adecuado, cando a temperatura aumenta a un determinado valor, os poros de micras da partición disolveranse automaticamente, de xeito que os ións de litio non poden pasar, a reacción interna da batería detense; O terceiro é configurar a válvula de seguridade (é dicir, o orificio de ventilación na parte superior da batería). Cando a presión interna da batería aumenta ata un determinado valor, a válvula de seguridade abrirase automaticamente para garantir a seguridade da batería.
Ás veces, aínda que a propia batería ten medidas de control de seguridade, pero debido a algunhas razóns causadas pola falla de control, a falta de válvula de seguridade ou gas non ten tempo para liberarse a través da válvula de seguridade, a presión interna da batería aumentará bruscamente e causará unha explosión. Xeralmente, a enerxía total almacenada nas baterías de ión-litio é inversamente proporcional á súa seguridade. A medida que aumenta a capacidade da batería, o volume da batería tamén aumenta e o seu rendemento de disipación de calor deteriorase e aumentará moito a posibilidade de accidentes. Para as baterías de ión-litio utilizadas nos teléfonos móbiles, o requisito básico é que a probabilidade de accidentes de seguridade sexa inferior a un entre un millón, que tamén é o estándar mínimo aceptable para o público. Para baterías de iones de litio de gran capacidade, especialmente para automóbiles, é moi importante adoptar a disipación forzada da calor.
A selección de materiais de electrodos máis seguros, material de óxido de litio e manganeso, en termos de estrutura molecular para garantir que en estado de carga completa, os ións de litio no electrodo positivo foron completamente incrustados no burato de carbono negativo, evitando fundamentalmente a xeración de dendritas. Ao mesmo tempo, a estrutura estable do ácido de litio-manganeso, de xeito que o seu rendemento de oxidación é moito menor que o ácido de litio cobalto, a temperatura de descomposición do ácido de litio cobalto superior a 100 ℃, mesmo por mor dun curtocircuíto externo externo (agulla), externo. curtocircuíto, sobrecarga, tamén pode evitar completamente o perigo de combustión e explosión causada polo litio metal precipitado.
Ademais, o uso de material de manganato de litio tamén pode reducir moito o custo.
Para mellorar o rendemento da tecnoloxía de control de seguridade existente, primeiro debemos mellorar o rendemento de seguridade do núcleo da batería de iones de litio, que é particularmente importante para baterías de gran capacidade. Escolla un diafragma cun bo rendemento de peche térmico. O papel do diafragma é illar os polos positivo e negativo da batería mentres permite o paso dos ións de litio. Cando a temperatura aumenta, a membrana péchase antes de que se derrita, elevando a resistencia interna a 2.000 ohmios e apagando a reacción interna. Cando a presión interna ou a temperatura alcanza o estándar preestablecido, a chave a proba de explosión abrirase e comezará a aliviar a presión para evitar a acumulación excesiva de gas interno, a deformación e, finalmente, a explosión do casca. Mellora a sensibilidade do control, selecciona os parámetros de control máis sensibles e adopta o control combinado de varios parámetros (o que é especialmente importante para baterías de gran capacidade). Para o paquete de baterías de iones de litio de gran capacidade é unha composición de células múltiples en serie/paralelo, como a tensión do ordenador portátil superior a 10V, a gran capacidade, xeralmente usando 3 a 4 series de batería única pode cumprir os requisitos de tensión e, a continuación, 2 a 3 series de batería paralela, a fin de garantir unha gran capacidade.
O propio paquete de baterías de alta capacidade debe estar equipado cunha función de protección relativamente perfecta e tamén se deben considerar dous tipos de módulos de placa de circuíto: o módulo ProtectionBoardPCB e o módulo SmartBatteryGaugeBoard. Todo o deseño de protección da batería inclúe: IC de protección de nivel 1 (evite a sobrecarga da batería, sobredescarga, curtocircuíto), IC de protección de nivel 2 (evite a segunda sobretensión), fusible, indicador LED, regulación de temperatura e outros compoñentes. Baixo o mecanismo de protección de varios niveis, mesmo no caso de cargador de enerxía e portátil anormais, a batería do portátil só se pode cambiar ao estado de protección automática. Se a situación non é grave, moitas veces funciona normalmente despois de ser enchufado e eliminado sen explosión.
A tecnoloxía subxacente que se usa nas baterías de iones de litio utilizadas en portátiles e teléfonos móbiles non é segura, e hai que considerar estruturas máis seguras.
En conclusión, co progreso da tecnoloxía de materiais e a profundización da comprensión da xente dos requisitos para o deseño, fabricación, proba e uso de baterías de ión-litio, o futuro das baterías de ión-litio será máis seguro.
Hora de publicación: Mar-07-2022