Lithiumbatterijen zijn het snelst groeiende batterijsysteem van de afgelopen 20 jaar en worden veel gebruikt in elektronische producten.De recente explosie van mobiele telefoons en laptops is in wezen een batterij-explosie.Hoe batterijen van mobiele telefoons en laptops eruit zien, hoe ze werken, waarom ze ontploffen en hoe je ze kunt vermijden.
Er treden bijwerkingen op wanneer de lithiumcel wordt overladen tot een spanning hoger dan 4,2 V.Hoe hoger de overbelastingsdruk, hoe groter het risico.Bij spanningen hoger dan 4,2 V, wanneer minder dan de helft van de lithiumatomen in het kathodemateriaal achterblijft, stort de opslagcel vaak in, waardoor de batterijcapaciteit permanent afneemt.Als de lading doorgaat, zullen de volgende lithiummetalen zich ophopen op het oppervlak van het kathodemateriaal, omdat de opslagcel van de kathode al vol zit met lithiumatomen.Deze lithiumatomen laten dendritische kristallen groeien vanaf het kathodeoppervlak in de richting van de lithiumionen.De lithiumkristallen zullen door het diafragmapapier gaan en de anode en kathode kortsluiten.Soms explodeert de batterij voordat er kortsluiting optreedt.Dat komt omdat tijdens het overladingsproces materialen zoals elektrolyten barsten en gas produceren dat ervoor zorgt dat de batterijbehuizing of het drukventiel opzwelt en barst, waardoor zuurstof kan reageren met lithiumatomen die zich ophopen op het oppervlak van de negatieve elektrode en kan exploderen.
Daarom is het bij het opladen van een lithiumbatterij noodzakelijk om de bovengrens van de spanning in te stellen, om rekening te houden met de levensduur, capaciteit en veiligheid van de batterij.De ideale bovengrens voor de laadspanning is 4,2 V.Er moet ook een lagere spanningslimiet zijn wanneer lithiumcellen ontladen.Wanneer de celspanning onder de 2,4 V daalt, begint een deel van het materiaal af te breken.En omdat de accu zichzelf zal ontladen, zal de spanning hoe langer hoe lager blijven, dus het is het beste om de ontlading van 2,4V niet te stoppen.Van 3,0 V tot 2,4 V geven lithiumbatterijen slechts ongeveer 3% van hun capaciteit vrij.Daarom is 3,0 V een ideale ontladingsafsluitspanning.Bij het laden en ontladen is naast de spanningslimiet ook de stroomlimiet noodzakelijk.Wanneer de stroom te hoog is, hebben lithiumionen geen tijd om de opslagcel binnen te dringen en zullen ze zich ophopen op het oppervlak van het materiaal.
Terwijl deze ionen elektronen opnemen, kristalliseren ze lithiumatomen op het oppervlak van het materiaal, wat net zo gevaarlijk kan zijn als overladen.Als de batterijhouder breekt, zal deze ontploffen.Daarom moet de bescherming van een lithium-ionbatterij op zijn minst de bovengrens van de laadspanning, de ondergrens van de ontlaadspanning en de bovengrens van de stroom omvatten.Over het algemeen zal er naast de kern van de lithiumbatterij een beschermplaat zijn, die voornamelijk deze drie bescherming biedt.De beschermingsplaat van deze drie beschermingen is echter duidelijk niet voldoende, omdat de wereldwijde explosies van lithiumbatterijen vaak voorkomen.Om de veiligheid van batterijsystemen te garanderen, is een zorgvuldiger analyse van de oorzaak van batterijexplosies nodig.
Oorzaak van explosie:
1. Grote interne polarisatie;
2. Het poolstuk absorbeert water en reageert met het elektrolytgasvat;
3.De kwaliteit en prestaties van de elektrolyt zelf;
4. De hoeveelheid vloeistofinjectie kan niet aan de procesvereisten voldoen;
5. De prestaties van de laserlasafdichting zijn slecht tijdens het voorbereidingsproces en er wordt luchtlekkage gedetecteerd.
6. Stof en poolstof veroorzaken gemakkelijk eerst microkortsluiting;
7. Positieve en negatieve plaat dikker dan het procesbereik, moeilijk te schillen;
8. Afdichtingsprobleem van vloeistofinjectie, slechte afdichtingsprestaties van stalen kogels leiden tot gasvat;
9. Shell inkomend materiaal schaalwand is te dik, schaalvervorming beïnvloedt de dikte;
10. Ook de hoge omgevingstemperatuur buiten is de hoofdoorzaak van de explosie.
Het explosietype
Analyse van het explosietype De typen explosies van de batterijkern kunnen worden geclassificeerd als externe kortsluiting, interne kortsluiting en overbelasting.Met extern wordt hier de buitenkant van de cel bedoeld, inclusief de kortsluiting veroorzaakt door het slechte isolatieontwerp van het interne batterijpakket.Wanneer er buiten de cel kortsluiting optreedt en de elektronische componenten er niet in slagen de lus af te sluiten, zal de cel binnenin hoge hitte genereren, waardoor een deel van de elektrolyt, de batterijbehuizing, verdampt.Wanneer de interne temperatuur van de batterij hoog is tot 135 graden Celsius, zal het diafragmapapier van goede kwaliteit het fijne gat sluiten, de elektrochemische reactie wordt beëindigd of bijna beëindigd, de stroom daalt en de temperatuur daalt ook langzaam, waardoor de explosie wordt vermeden .Maar een diafragmapapier met een slechte sluitsnelheid, of een papier dat helemaal niet sluit, houdt de batterij warm, verdampt meer elektrolyt en doet uiteindelijk de batterijbehuizing barsten, of verhoogt zelfs de temperatuur van de batterij tot het punt waarop het materiaal verbrandt. en ontploft.De interne kortsluiting wordt voornamelijk veroorzaakt door de braam van koperfolie en aluminiumfolie die het diafragma doorboort, of de dendritische kristallen van lithiumatomen die het diafragma doorboren.
Deze kleine, naaldachtige metalen kunnen microkortsluitingen veroorzaken.Omdat de naald erg dun is en een bepaalde weerstandswaarde heeft, is de stroom niet noodzakelijkerwijs erg groot.De bramen van koper-aluminiumfolie ontstaan tijdens het productieproces.Het waargenomen fenomeen is dat de batterij te snel lekt, en de meeste ervan kunnen worden afgeschermd door celfabrieken of assemblagefabrieken.En omdat de bramen klein zijn, verbranden ze soms, waardoor de batterij weer normaal wordt.Daarom is de kans op een explosie veroorzaakt door braammicrokortsluiting niet hoog.Een dergelijk beeld kan vaak worden opgeladen vanuit de binnenkant van elke celfabriek, de spanning op de lage batterij, maar zelden explosie, en krijgt statistische ondersteuning.Daarom wordt de explosie veroorzaakt door interne kortsluiting voornamelijk veroorzaakt door overbelasting.Omdat er overal naaldachtige lithiummetaalkristallen op de overbeladen achterste elektrodeplaat zitten, zijn er overal lekpunten en treedt overal microkortsluiting op.Daarom zal de celtemperatuur geleidelijk stijgen en uiteindelijk zal de hoge temperatuur elektrolytgas veroorzaken.Deze situatie, of de temperatuur nu te hoog is om de materiaalverbranding te laten ontploffen, of dat de schaal eerst werd gebroken, zodat de lucht in en de felle oxidatie van lithiummetaal het einde van de explosie vormen.
Maar een dergelijke explosie, veroorzaakt door een interne kortsluiting veroorzaakt door overladen, vindt niet noodzakelijkerwijs plaats op het moment van opladen.Het is mogelijk dat consumenten stoppen met opladen en hun telefoon eruit halen voordat de batterij heet genoeg is om materialen te verbranden en voldoende gas te produceren om de batterijbehuizing te laten barsten.De warmte die door de talrijke kortsluitingen wordt gegenereerd, verwarmt de batterij langzaam en explodeert na enige tijd.De algemene beschrijving van consumenten is dat ze de telefoon oppakten en merkten dat deze erg heet was, deze vervolgens weggooiden en ontploften.Op basis van de bovenstaande soorten explosies kunnen we ons concentreren op het voorkomen van overbelasting, het voorkomen van externe kortsluiting en het verbeteren van de veiligheid van de cel.Onder hen behoort het voorkomen van overbelasting en externe kortsluiting tot de elektronische bescherming, die sterk verband houdt met het ontwerp van het batterijsysteem en het batterijpakket.Het belangrijkste punt bij het verbeteren van de celveiligheid is chemische en mechanische bescherming, die een goede relatie heeft met celfabrikanten.
Veilige verborgen problemen
De veiligheid van een lithium-ionbatterij houdt niet alleen verband met de aard van het celmateriaal zelf, maar ook met de voorbereidingstechnologie en het gebruik van de batterij.Batterijen van mobiele telefoons ontploffen vaak, enerzijds als gevolg van het falen van het beveiligingscircuit, maar wat nog belangrijker is: het materiële aspect heeft het probleem niet fundamenteel opgelost.
Het actieve materiaal van de kobaltzuurlithiumkathode is een zeer volwassen systeem in kleine batterijen, maar na een volledige lading zijn er nog steeds veel lithiumionen aan de anode, wanneer overbelasting, die in de anode achterblijft, naar verwachting naar de anode zal stromen. , wordt gevormd op de kathode, dendriet gebruikt kobaltzuur-lithiumbatterijen als gevolg van overbelasting, zelfs bij het normale laad- en ontlaadproces. Er kunnen ook overtollige lithiumionen vrij zijn naar de negatieve elektrode om dendrieten te vormen.De theoretische specifieke energie van lithiumkobalaatmateriaal is meer dan 270 mAh/g, maar de werkelijke capaciteit is slechts de helft van de theoretische capaciteit om de fietsprestaties te garanderen.Tijdens het gebruik, om een of andere reden (zoals schade aan het managementsysteem) en de laadspanning van de batterij te hoog is, zal het resterende deel van het lithium in de positieve elektrode worden verwijderd, via de elektrolyt naar het negatieve elektrode-oppervlak in de vorm van lithiummetaalafzetting om dendrieten te vormen.Dendrieten Doorboren het middenrif, waardoor een interne kortsluiting ontstaat.
Het hoofdbestanddeel van de elektrolyt is carbonaat, dat een laag vlampunt en een laag kookpunt heeft.Onder bepaalde omstandigheden zal het verbranden of zelfs exploderen.Als de batterij oververhit raakt, zal dit leiden tot oxidatie en reductie van het carbonaat in de elektrolyt, wat resulteert in veel gas en meer warmte.Als er geen veiligheidsklep is of het gas niet via de veiligheidsklep vrijkomt, zal de interne druk van de batterij sterk stijgen en een explosie veroorzaken.
Polymeer elektrolyt lithium-ion batterij lost het veiligheidsprobleem niet fundamenteel op, lithiumkobaltzuur en organische elektrolyt worden ook gebruikt, en de elektrolyt is colloïdaal, niet gemakkelijk te lekken, zal een gewelddadiger verbranding veroorzaken, verbranding is het grootste probleem van de veiligheid van polymeerbatterijen.
Er zijn ook enkele problemen met het gebruik van de batterij.Een externe of interne kortsluiting kan een paar honderd ampère aan overmatige stroom produceren.Wanneer er een externe kortsluiting optreedt, ontlaadt de batterij onmiddellijk een grote stroom, waardoor een grote hoeveelheid energie wordt verbruikt en er enorme hitte ontstaat op de interne weerstand.De interne kortsluiting vormt een grote stroom en de temperatuur stijgt, waardoor het diafragma smelt en het kortsluitgebied uitzet, waardoor een vicieuze cirkel ontstaat.
Om een enkele cel 3 ~ 4,2 V hoge werkspanning te bereiken, moet de lithium-ionbatterij ervoor zorgen dat de ontleding van de spanning groter is dan 2 V organische elektrolyt, en het gebruik van organische elektrolyt bij hoge stroomsterkte en hoge temperaturen zal worden geëlektrolyseerd, elektrolytisch gas, resulterend in een verhoogde interne druk, zal ernstig door de schaal breken.
Overbelasting kan lithiummetaal doen neerslaan, in het geval van een breuk van de schaal, direct contact met lucht, resulterend in verbranding, tegelijkertijd ontstekingselektrolyt, sterke vlammen, snelle uitzetting van gas, explosie.
Bovendien leidt de lithium-ionbatterij voor mobiele telefoons als gevolg van oneigenlijk gebruik, zoals extrusie, stoten en waterinname, tot uitzetting, vervorming en barsten van de batterij, enz., wat zal leiden tot kortsluiting van de batterij, tijdens het ontladings- of oplaadproces veroorzaakt door hitteexplosie.
Veiligheid van lithiumbatterijen:
Om overmatige ontlading of overbelasting als gevolg van oneigenlijk gebruik te voorkomen, is er een drievoudig beveiligingsmechanisme in de enkele lithium-ionbatterij geplaatst.Een daarvan is het gebruik van schakelelementen: wanneer de temperatuur van de batterij stijgt, zal de weerstand ervan stijgen, wanneer de temperatuur te hoog is, zal de stroomtoevoer automatisch stoppen;De tweede is om het juiste scheidingsmateriaal te kiezen. Wanneer de temperatuur tot een bepaalde waarde stijgt, zullen de micronporiën op de scheidingswand automatisch oplossen, zodat lithiumionen niet kunnen passeren en de interne reactie van de batterij stopt;De derde is het plaatsen van de veiligheidsklep (dat wil zeggen het ontluchtingsgat aan de bovenkant van de batterij).Wanneer de interne druk van de batterij een bepaalde waarde bereikt, gaat de veiligheidsklep automatisch open om de veiligheid van de batterij te garanderen.
Soms, hoewel de batterij zelf veiligheidscontrolemaatregelen heeft, maar vanwege een aantal redenen veroorzaakt door het falen van de controle, het ontbreken van een veiligheidsklep of gas geen tijd heeft om via de veiligheidsklep vrij te komen, zal de interne druk van de batterij scherp stijgen en veroorzaken een explosie.Over het algemeen is de totale energie die is opgeslagen in lithium-ionbatterijen omgekeerd evenredig met hun veiligheid.Naarmate de capaciteit van de batterij toeneemt, neemt ook het volume van de batterij toe, verslechteren de prestaties van de warmteafvoer en neemt de kans op ongelukken aanzienlijk toe.Voor lithium-ionbatterijen die in mobiele telefoons worden gebruikt, is de basisvereiste dat de kans op veiligheidsongevallen minder dan één op een miljoen moet zijn, wat ook de minimumnorm is die voor het publiek aanvaardbaar is.Voor lithium-ionbatterijen met een grote capaciteit, vooral voor auto's, is het erg belangrijk om geforceerde warmteafvoer toe te passen.
De selectie van veiliger elektrodematerialen, lithiummangaanoxidemateriaal, in termen van moleculaire structuur om ervoor te zorgen dat de lithiumionen in de positieve elektrode volledig zijn ingebed in het negatieve koolstofgat in volledig opgeladen toestand, vermijdt fundamenteel de vorming van dendrieten.Tegelijkertijd is de stabiele structuur van lithiummangaanzuur, zodat de oxidatieprestaties veel lager zijn dan die van lithiumkobaltzuur, de ontledingstemperatuur van lithiumkobaltzuur meer dan 100 ℃, zelfs vanwege externe externe kortsluiting (needling), externe kortsluiting, overladen, kan ook het gevaar van verbranding en explosie veroorzaakt door neergeslagen lithiummetaal volledig vermijden.
Bovendien kan het gebruik van lithiummanganaatmateriaal de kosten ook aanzienlijk verlagen.
Om de prestaties van de bestaande veiligheidscontroletechnologie te verbeteren, moeten we eerst de veiligheidsprestaties van de lithiumionbatterijkern verbeteren, wat vooral belangrijk is voor batterijen met een grote capaciteit.Kies een membraan met goede thermische sluitprestaties.De rol van het diafragma is om de positieve en negatieve polen van de batterij te isoleren en tegelijkertijd lithiumionen door te laten.Wanneer de temperatuur stijgt, wordt het membraan gesloten voordat het smelt, waardoor de interne weerstand stijgt tot 2.000 ohm en de interne reactie wordt stopgezet.Wanneer de interne druk of temperatuur de vooraf ingestelde standaard bereikt, gaat de explosieveilige klep open en begint de druk te ontlasten om overmatige ophoping van intern gas en vervorming te voorkomen en uiteindelijk tot barsten van de granaat te leiden.Verbeter de regelgevoeligheid, selecteer gevoeligere regelparameters en adopteer de gecombineerde controle van meerdere parameters (wat vooral belangrijk is voor batterijen met een grote capaciteit).Voor een lithium-ionbatterij met grote capaciteit is er een serie / parallelle samenstelling met meerdere cellen, zoals de spanning van een notebookcomputer is meer dan 10 V, een grote capaciteit, over het algemeen met behulp van 3 tot 4 afzonderlijke batterijseries, kan aan de spanningsvereisten voldoen, en vervolgens kunnen 2 tot 3 series van batterijpakket parallel, om een grote capaciteit te garanderen.
Het batterijpakket met hoge capaciteit zelf moet worden uitgerust met een relatief perfecte beveiligingsfunctie, en er moeten ook twee soorten printplaatmodules worden overwogen: de ProtectionBoardPCB-module en de SmartBatteryGaugeBoard-module.Het volledige batterijbeschermingsontwerp omvat: niveau 1 bescherming IC (voorkom overbelasting van de batterij, overontlading, kortsluiting), niveau 2 bescherming IC (voorkom tweede overspanning), zekering, LED-indicator, temperatuurregeling en andere componenten.Onder het beschermingsmechanisme op meerdere niveaus kan de laptopbatterij, zelfs in het geval van een abnormale oplader en laptop, alleen naar de automatische beschermingsstatus worden geschakeld.Als de situatie niet ernstig is, werkt deze vaak normaal nadat deze zonder explosie is aangesloten en verwijderd.
De onderliggende technologie die wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen die in laptops en mobiele telefoons worden gebruikt, is onveilig en er moet worden nagedacht over veiligere structuren.
Kortom, met de vooruitgang van de materiaaltechnologie en de verdieping van het begrip van mensen over de vereisten voor het ontwerp, de fabricage, het testen en het gebruik van lithium-ionbatterijen, zal de toekomst van lithium-ionbatterijen veiliger worden.
Posttijd: 07 maart 2022