Le batterie al litio sono il sistema di batterie in più rapida crescita negli ultimi 20 anni e sono ampiamente utilizzate nei prodotti elettronici.La recente esplosione di telefoni cellulari e computer portatili è essenzialmente un'esplosione di batterie.Che aspetto hanno le batterie dei telefoni cellulari e dei laptop, come funzionano, perché esplodono e come evitarle.
Gli effetti collaterali iniziano a verificarsi quando la cella al litio viene sovraccaricata a una tensione superiore a 4,2 V.Maggiore è la pressione di sovraccarico, maggiore è il rischio.A tensioni superiori a 4,2 V, quando nel materiale del catodo è rimasta meno della metà degli atomi di litio, la cella di accumulo spesso collassa, causando un calo permanente della capacità della batteria.Se la carica continua, i successivi metalli di litio si accumuleranno sulla superficie del materiale del catodo, poiché la cella di accumulo del catodo è già piena di atomi di litio.Questi atomi di litio fanno crescere cristalli dendritici dalla superficie del catodo in direzione degli ioni di litio.I cristalli di litio passeranno attraverso la carta del diaframma, cortocircuitando l'anodo e il catodo.A volte la batteria esplode prima che si verifichi un cortocircuito.Questo perché durante il processo di sovraccarico, materiali come gli elettroliti si rompono producendo gas che fa gonfiare e scoppiare l'involucro della batteria o la valvola di pressione, consentendo all'ossigeno di reagire con gli atomi di litio accumulati sulla superficie dell'elettrodo negativo ed esplodere.
Pertanto, quando si carica la batteria al litio, è necessario impostare il limite superiore della tensione, per tenere conto della durata, della capacità e della sicurezza della batteria.Il limite superiore della tensione di carica ideale è 4,2 V.Dovrebbe esserci anche un limite di tensione inferiore quando le celle al litio si scaricano.Quando la tensione della cella scende al di sotto di 2,4 V, parte del materiale inizia a rompersi.E poiché la batteria si scarica automaticamente, più a lungo la tensione sarà più bassa, quindi è meglio non scaricare 2,4 V per fermarsi.Da 3,0 V a 2,4 V, le batterie al litio rilasciano solo circa il 3% della loro capacità.Pertanto, 3,0 V è una tensione di interruzione della scarica ideale.Durante la carica e la scarica, oltre al limite di tensione è necessario anche il limite di corrente.Quando la corrente è troppo elevata, gli ioni di litio non hanno il tempo di entrare nella cella di accumulo e si accumulano sulla superficie del materiale.
Quando questi ioni acquistano elettroni, cristallizzano gli atomi di litio sulla superficie del materiale, il che può essere pericoloso quanto il sovraccarico.Se la custodia della batteria si rompe, esploderà.Pertanto, la protezione della batteria agli ioni di litio dovrebbe includere almeno il limite superiore della tensione di carica, il limite inferiore della tensione di scarica e il limite superiore della corrente.In generale, oltre al nucleo della batteria al litio, è presente una piastra di protezione, che serve principalmente a fornire queste tre protezioni.Tuttavia, la piastra di protezione di queste tre protezioni ovviamente non è sufficiente, gli eventi globali di esplosione della batteria al litio sono frequenti.Per garantire la sicurezza dei sistemi di batterie è necessaria un’analisi più attenta delle cause delle esplosioni delle batterie.
Causa dell'esplosione:
1. Grande polarizzazione interna;
2. L'espansione polare assorbe l'acqua e reagisce con il tamburo del gas elettrolitico;
3.La qualità e le prestazioni dell'elettrolita stesso;
4. La quantità di iniezione liquida non può soddisfare i requisiti del processo;
5. Le prestazioni della guarnizione della saldatura laser sono scarse durante il processo di preparazione e viene rilevata una perdita d'aria.
6. È facile che la polvere e la polvere dell'espansione polare provochino inizialmente microcortocircuiti;
7. Piastra positiva e negativa più spessa dell'intervallo di processo, difficile da sgusciare;
8. Problema di tenuta dell'iniezione di liquido, scarse prestazioni di tenuta della sfera d'acciaio portano al fusto del gas;
9. La parete del guscio del materiale in entrata è troppo spessa, la deformazione del guscio influisce sullo spessore;
10. Anche l'elevata temperatura ambiente esterna è la causa principale dell'esplosione.
Il tipo di esplosione
Analisi del tipo di esplosione I tipi di esplosione del nucleo della batteria possono essere classificati come cortocircuito esterno, cortocircuito interno e sovraccarico.L'esterno qui si riferisce all'esterno della cella, compreso il cortocircuito causato dal design inadeguato dell'isolamento del pacco batteria interno.Quando si verifica un cortocircuito all'esterno della cella e i componenti elettronici non riescono a interrompere il circuito, la cella genera un elevato calore all'interno, provocando la vaporizzazione di parte dell'elettrolita, il guscio della batteria.Quando la temperatura interna della batteria raggiunge i 135 gradi Celsius, la carta del diaframma di buona qualità chiuderà il foro sottile, la reazione elettrochimica sarà terminata o quasi, la corrente scende e anche la temperatura scende lentamente, evitando così l'esplosione .Ma un diaframma di carta con una velocità di chiusura scarsa, o uno che non si chiude affatto, manterrà la batteria calda, vaporizzerà più elettrolita e alla fine farà scoppiare l'involucro della batteria o addirittura aumenterà la temperatura della batteria fino al punto in cui il materiale brucia. ed esplode.Il cortocircuito interno è causato principalmente dalla sbavatura del foglio di rame e del foglio di alluminio che perfora il diaframma o dai cristalli dendritici degli atomi di litio che perforano il diaframma.
Questi minuscoli metalli aghiformi possono causare microcortocircuiti.Poiché l'ago è molto sottile e ha un certo valore di resistenza, la corrente non è necessariamente molto grande.Le sbavature del foglio di alluminio rame sono causate dal processo di produzione.Il fenomeno osservato è che la batteria perde troppo velocemente e la maggior parte di esse può essere filtrata da fabbriche di celle o impianti di assemblaggio.E poiché le bave sono piccole, a volte si bruciano, riportando la batteria alla normalità.Pertanto, la probabilità di esplosione causata dal microcortocircuito della bava non è elevata.Tale visione, spesso può caricare dall'interno di ogni fabbrica di celle, la tensione sulla batteria scarica, ma raramente un'esplosione, ottiene supporto statistico.Pertanto, l'esplosione causata da un cortocircuito interno è causata principalmente da un sovraccarico.Poiché sono presenti cristalli di litio metallico aghiformi ovunque sul foglio dell'elettrodo posteriore sovraccaricato, i punti di foratura sono ovunque e si verificano micro-cortocircuiti ovunque.Pertanto, la temperatura della cella aumenterà gradualmente e infine l'alta temperatura eliminerà il gas elettrolitico.Questa situazione, sia che la temperatura sia troppo alta per provocare l'esplosione della combustione del materiale, sia che il guscio sia stato rotto per primo, in modo che l'aria all'interno e l'ossidazione feroce del metallo litio, siano la fine dell'esplosione.
Ma una tale esplosione, causata da un cortocircuito interno causato dal sovraccarico, non si verifica necessariamente al momento della ricarica.È possibile che i consumatori smettano di caricare e tolgano i loro telefoni prima che la batteria sia abbastanza calda da bruciare materiali e produrre abbastanza gas da far scoppiare l’involucro della batteria.Il calore generato dai numerosi cortocircuiti riscalda lentamente la batteria e, dopo qualche tempo, esplode.La descrizione comune dei consumatori è che hanno preso il telefono e hanno scoperto che era molto caldo, poi lo hanno buttato via ed sono esplosi.Sulla base dei tipi di esplosione sopra menzionati, possiamo concentrarci sulla prevenzione del sovraccarico, sulla prevenzione del cortocircuito esterno e sul miglioramento della sicurezza della cella.Tra questi, la prevenzione del sovraccarico e del cortocircuito esterno appartiene alla protezione elettronica, che è fortemente correlata alla progettazione del sistema batteria e del pacco batteria.Il punto chiave del miglioramento della sicurezza delle celle è la protezione chimica e meccanica, che ha un ottimo rapporto con i produttori di celle.
Problemi nascosti sicuri
La sicurezza della batteria agli ioni di litio non è legata solo alla natura del materiale della cella stessa, ma anche alla tecnologia di preparazione e all'uso della batteria.Le batterie dei telefoni cellulari esplodono spesso da un lato a causa del guasto del circuito di protezione, ma soprattutto dall'aspetto materiale non hanno risolto radicalmente il problema.
Il materiale attivo del catodo di litio acido di cobalto è un sistema molto maturo in piccole batterie, ma dopo una carica completa, ci sono ancora molti ioni di litio sull'anodo, quando si prevede un sovraccarico, gli ioni di litio rimanenti nell'anodo si riversano sull'anodo , si forma sul dendrite del catodo utilizzando il corollario del sovraccarico della batteria al litio e acido cobalto, anche nel normale processo di carica e scarica. Potrebbero esserci anche ioni di litio in eccesso liberi sull'elettrodo negativo per formare dendriti.L'energia specifica teorica del materiale di cobalato di litio è superiore a 270 mAh/g, ma la capacità effettiva è solo la metà della capacità teorica per garantirne le prestazioni ciclistiche.Durante l'utilizzo, a causa di qualche motivo (come un danno al sistema di gestione) e la tensione di carica della batteria è troppo alta, la parte rimanente di litio nell'elettrodo positivo verrà rimossa, attraverso l'elettrolita fino alla superficie dell'elettrodo negativo la forma di deposizione del metallo litio per formare dendriti.I dendriti perforano il diaframma, creando un cortocircuito interno.
Il componente principale dell'elettrolita è il carbonato, che ha un basso punto di infiammabilità e un basso punto di ebollizione.Brucerà o addirittura esploderà in determinate condizioni.Se la batteria si surriscalda, ciò causerà l'ossidazione e la riduzione del carbonato nell'elettrolito, con conseguente produzione di molto gas e ulteriore calore.Se non è presente una valvola di sicurezza o il gas non viene rilasciato attraverso la valvola di sicurezza, la pressione interna della batteria aumenterà notevolmente e causerà un'esplosione.
La batteria agli ioni di litio con elettrolita polimerico non risolve fondamentalmente il problema di sicurezza, vengono utilizzati anche acido di litio cobalto ed elettrolita organico e l'elettrolita è colloidale, non facile da perdere, si verificherà una combustione più violenta, la combustione è il più grande problema di sicurezza della batteria polimerica.
Ci sono anche alcuni problemi con l'uso della batteria.Un cortocircuito esterno o interno può produrre alcune centinaia di ampere di corrente eccessiva.Quando si verifica un cortocircuito esterno, la batteria scarica istantaneamente una grande corrente, consumando una grande quantità di energia e generando un enorme calore sulla resistenza interna.Il cortocircuito interno forma una grande corrente e la temperatura aumenta, causando la fusione del diaframma e l'espansione dell'area del cortocircuito, formando così un circolo vizioso.
Per ottenere una tensione di lavoro elevata da 3 ~ 4,2 V a singola cella, la batteria agli ioni di litio deve sopportare che la decomposizione della tensione sia superiore a 2 V dell'elettrolita organico e l'uso dell'elettrolita organico in condizioni di corrente elevata e temperatura elevata sarà elettrolizzato, elettrolitico il gas, con conseguente aumento della pressione interna, potrebbe sfondare seriamente il guscio.
Il sovraccarico può far precipitare il litio metallico, in caso di rottura dell'involucro, contatto diretto con l'aria, con conseguente combustione, contemporaneamente elettrolita di accensione, fiamma forte, rapida espansione del gas, esplosione.
Inoltre, per la batteria agli ioni di litio del telefono cellulare, a causa di un uso improprio, come estrusione, impatto e ingresso di acqua, la batteria potrebbe espandersi, deformarsi e rompersi, ecc., con conseguente cortocircuito della batteria, durante il processo di scarica o ricarica causato mediante esplosione di calore.
Sicurezza delle batterie al litio:
Per evitare uno scaricamento eccessivo o un sovraccarico causato da un uso improprio, nella singola batteria agli ioni di litio è integrato un triplo meccanismo di protezione.Uno è l'uso di elementi di commutazione, quando la temperatura della batteria aumenta, la sua resistenza aumenterà, quando la temperatura è troppo alta, interromperà automaticamente l'alimentazione;Il secondo è scegliere il materiale di partizione appropriato, quando la temperatura sale a un certo valore, i pori micron sulla partizione si dissolveranno automaticamente, in modo che gli ioni di litio non possano passare, la reazione interna della batteria si interrompe;Il terzo è installare la valvola di sicurezza (ovvero il foro di sfiato sulla parte superiore della batteria).Quando la pressione interna della batteria raggiunge un certo valore, la valvola di sicurezza si aprirà automaticamente per garantire la sicurezza della batteria.
A volte, anche se la batteria stessa dispone di misure di controllo di sicurezza, ma a causa di alcuni motivi causati dal mancato controllo, la mancanza di valvola di sicurezza o il gas non ha il tempo di essere rilasciato attraverso la valvola di sicurezza, la pressione interna della batteria aumenterà bruscamente e causerà un'esplosione.Generalmente, l’energia totale immagazzinata nelle batterie agli ioni di litio è inversamente proporzionale alla loro sicurezza.All'aumentare della capacità della batteria, aumenta anche il suo volume, le sue prestazioni di dissipazione del calore si deteriorano e la possibilità di incidenti aumenta notevolmente.Per le batterie agli ioni di litio utilizzate nei telefoni cellulari, il requisito fondamentale è che la probabilità di incidenti legati alla sicurezza sia inferiore a uno su un milione, che è anche lo standard minimo accettabile dal pubblico.Per le batterie agli ioni di litio di grande capacità, soprattutto per le automobili, è molto importante adottare una dissipazione forzata del calore.
La selezione di materiali per elettrodi più sicuri, materiale di ossido di litio e manganese, in termini di struttura molecolare per garantire che, in stato di carica completa, gli ioni di litio nell'elettrodo positivo siano stati completamente incorporati nel buco di carbonio negativo, evita fondamentalmente la generazione di dendriti.Allo stesso tempo, la struttura stabile dell'acido litio-manganese, in modo che la sua prestazione di ossidazione è di gran lunga inferiore a quella dell'acido litio-cobalto, la temperatura di decomposizione dell'acido litio-cobalto è superiore a 100 ℃, anche a causa di cortocircuito esterno (agugliatura), esterno cortocircuito e sovraccarico possono anche evitare completamente il pericolo di combustione ed esplosione causata dal litio metallico precipitato.
Inoltre, l'uso di materiale di manganato di litio può anche ridurre notevolmente i costi.
Per migliorare le prestazioni della tecnologia di controllo di sicurezza esistente, dobbiamo prima migliorare le prestazioni di sicurezza del nucleo della batteria agli ioni di litio, che è particolarmente importante per le batterie di grande capacità.Scegliere un diaframma con buone prestazioni di chiusura termica.Il ruolo del diaframma è quello di isolare i poli positivo e negativo della batteria consentendo il passaggio degli ioni di litio.Quando la temperatura aumenta, la membrana si chiude prima che si sciolga, aumentando la resistenza interna a 2.000 ohm e arrestando la reazione interna.Quando la pressione o la temperatura interna raggiungono lo standard preimpostato, la valvola antideflagrante si aprirà e inizierà a scaricare la pressione per evitare un eccessivo accumulo di gas interno, deformazioni e infine portare allo scoppio del guscio.Migliorare la sensibilità del controllo, selezionare parametri di controllo più sensibili e adottare il controllo combinato di più parametri (che è particolarmente importante per le batterie di grande capacità).Per la batteria agli ioni di litio di grande capacità è una composizione di celle multiple in serie/parallelo, ad esempio la tensione del computer portatile è superiore a 10 V, grande capacità, generalmente utilizzando da 3 a 4 serie di batterie singole è possibile soddisfare i requisiti di tensione, quindi da 2 a 3 serie di pacco batterie in parallelo, per garantire una grande capacità.
Il pacco batteria ad alta capacità stesso deve essere dotato di una funzione di protezione relativamente perfetta e dovrebbero essere considerati anche due tipi di moduli del circuito: modulo ProtecTIonBoardPCB e modulo SmartBatteryGaugeBoard.L'intero design di protezione della batteria comprende: IC di protezione di livello 1 (previene il sovraccarico della batteria, lo scaricamento eccessivo, il cortocircuito), IC di protezione di livello 2 (previene la seconda sovratensione), fusibile, indicatore LED, regolazione della temperatura e altri componenti.Con il meccanismo di protezione multilivello, anche in caso di alimentazione anomala del caricabatterie e del laptop, la batteria del laptop può essere commutata solo allo stato di protezione automatica.Se la situazione non è grave, spesso funziona normalmente dopo essere stato collegato e rimosso senza che esploda.
La tecnologia di base utilizzata nelle batterie agli ioni di litio utilizzate nei computer portatili e nei telefoni cellulari non è sicura e occorre prendere in considerazione strutture più sicure.
In conclusione, con il progresso della tecnologia dei materiali e l'approfondimento della comprensione da parte delle persone dei requisiti per la progettazione, produzione, test e utilizzo delle batterie agli ioni di litio, il futuro delle batterie agli ioni di litio diventerà più sicuro.
Orario di pubblicazione: 07-marzo-2022