اقدامات حفاظتی و علل انفجار باتری های لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیومی سریع‌ترین رشد سیستم باتری در 20 سال گذشته هستند و به طور گسترده در محصولات الکترونیکی استفاده می‌شوند. انفجار اخیر تلفن های همراه و لپ تاپ ها اساساً یک انفجار باتری است. باتری های تلفن همراه و لپ تاپ چگونه به نظر می رسند، چگونه کار می کنند، چرا منفجر می شوند و چگونه از آنها اجتناب کنیم.

عوارض جانبی زمانی رخ می دهد که سلول لیتیوم بیش از حد به ولتاژ بالاتر از 4.2 ولت شارژ می شود. هرچه فشار اضافه شارژ بیشتر باشد، خطر بیشتر است. در ولتاژهای بالاتر از 4.2 ولت، زمانی که کمتر از نیمی از اتم های لیتیوم در مواد کاتد باقی می مانند، سلول ذخیره اغلب فرو می ریزد و باعث کاهش دائمی ظرفیت باتری می شود. اگر شارژ ادامه یابد، فلزات لیتیوم بعدی روی سطح مواد کاتد انباشته می‌شوند، زیرا سلول ذخیره‌سازی کاتد از قبل مملو از اتم‌های لیتیوم است. این اتم های لیتیوم کریستال های دندریتی را از سطح کاتد در جهت یون های لیتیوم رشد می دهند. کریستال های لیتیوم از کاغذ دیافراگم عبور می کنند و آند و کاتد را کوتاه می کنند. گاهی اوقات باتری قبل از وقوع یک اتصال کوتاه منفجر می شود. به این دلیل که در طول فرآیند شارژ بیش از حد، موادی مانند الکترولیت ها ترک می خورند و گاز تولید می کنند که باعث می شود محفظه باتری یا دریچه فشار متورم و ترکیده شود و به اکسیژن اجازه می دهد با اتم های لیتیوم انباشته شده در سطح الکترود منفی واکنش نشان دهد و منفجر شود.

بنابراین، هنگام شارژ باتری لیتیومی، لازم است حد بالایی ولتاژ را تنظیم کنید تا عمر باتری، ظرفیت و ایمنی در نظر گرفته شود. حد بالایی ولتاژ شارژ ایده آل 4.2 ولت است. همچنین هنگام تخلیه سلول های لیتیوم باید حد ولتاژ کمتری وجود داشته باشد. هنگامی که ولتاژ سلول به زیر 2.4 ولت می رسد، برخی از مواد شروع به تجزیه می کنند. و چون باتری خود به خود تخلیه می شود، هر چه ولتاژ کمتر باشد، بهتر است 2.4 ولت تخلیه نشود تا متوقف شود. از 3.0 ولت تا 2.4 ولت، باتری های لیتیومی تنها حدود 3 درصد از ظرفیت خود را آزاد می کنند. بنابراین، 3.0 ولت یک ولتاژ قطع تخلیه ایده آل است. هنگام شارژ و دشارژ علاوه بر محدودیت ولتاژ، حد جریان نیز ضروری است. هنگامی که جریان بیش از حد بالا باشد، یون های لیتیوم زمان ورود به سلول ذخیره را ندارند، روی سطح مواد تجمع می کنند.

همانطور که این یون ها الکترون به دست می آورند، اتم های لیتیوم را روی سطح ماده متبلور می کنند که می تواند به اندازه شارژ بیش از حد خطرناک باشد. اگر قاب باتری بشکند، منفجر می شود. بنابراین، حفاظت از باتری لیتیوم یونی باید حداقل شامل حد بالای ولتاژ شارژ، حد پایین ولتاژ تخلیه و حد بالای جریان باشد. به طور کلی، علاوه بر هسته باتری لیتیومی، یک صفحه محافظ نیز وجود خواهد داشت که عمدتاً برای ارائه این سه محافظت است. با این حال، صفحه حفاظت از این سه حفاظت به وضوح کافی نیست، حوادث انفجار باتری لیتیوم جهانی و یا مکرر. برای اطمینان از ایمنی سیستم های باتری، تجزیه و تحلیل دقیق تری از علت انفجار باتری مورد نیاز است.

علت انفجار:

1. قطبش داخلی بزرگ.

2. قطعه قطب آب را جذب می کند و با درام گاز الکترولیت واکنش نشان می دهد.

3. کیفیت و عملکرد خود الکترولیت.

4. مقدار تزریق مایع نمی تواند الزامات فرآیند را برآورده کند.

5. عملکرد مهر و موم جوش لیزری در فرآیند آماده سازی ضعیف است و نشت هوا شناسایی می شود.

6. گرد و غبار و گرد و غبار قطعه قطبی به آسانی باعث اتصال ریزشورت می شوند.

7. صفحه مثبت و منفی ضخیم تر از محدوده فرآیند، سخت به پوسته.

8. مشکل آب بندی تزریق مایع، عملکرد ضعیف آب بندی توپ فولادی منجر به درام گاز می شود.

9. دیوار پوسته مواد ورودی بیش از حد ضخیم است، تغییر شکل پوسته بر ضخامت تأثیر می گذارد.

10. دمای بالای محیط بیرون نیز عامل اصلی انفجار است.

نوع انفجار

تجزیه و تحلیل نوع انفجار انواع انفجار هسته باتری را می توان به عنوان اتصال کوتاه خارجی، اتصال کوتاه داخلی و شارژ بیش از حد طبقه بندی کرد. خارجی در اینجا به قسمت خارجی سلول اشاره دارد، از جمله اتصال کوتاه ناشی از طراحی عایق ضعیف بسته باتری داخلی. هنگامی که یک اتصال کوتاه در خارج از سلول اتفاق می افتد، و قطعات الکترونیکی نمی توانند حلقه را قطع کنند، سلول گرمای زیادی در داخل تولید می کند و باعث می شود بخشی از الکترولیت تبخیر شود، پوسته باتری. هنگامی که دمای داخلی باتری به 135 درجه سانتیگراد برسد، کاغذ دیافراگمی با کیفیت خوب سوراخ ریز را می بندد، واکنش الکتروشیمیایی خاتمه یافته یا تقریباً خاتمه می یابد، جریان پایین می آید و دما نیز به آرامی کاهش می یابد، بنابراین از انفجار جلوگیری می کند. . اما یک کاغذ دیافراگمی با سرعت بسته شدن ضعیف یا کاغذی که اصلا بسته نمی‌شود، باتری را گرم نگه می‌دارد، الکترولیت بیشتری را تبخیر می‌کند و در نهایت محفظه باتری را می‌ترکند یا حتی دمای باتری را تا حدی افزایش می‌دهد که مواد بسوزد. و منفجر می شود. اتصال کوتاه داخلی عمدتاً ناشی از سوراخ شدن فویل مسی و فویل آلومینیومی است که دیافراگم را سوراخ می کند یا کریستال های دندریتیک اتم های لیتیوم که دیافراگم را سوراخ می کنند.

این فلزات ریز سوزن مانند می توانند باعث ایجاد مدارهای ریز کوتاه شوند. از آنجایی که سوزن بسیار نازک است و مقدار مقاومت مشخصی دارد، جریان لزوماً خیلی زیاد نیست. خراش های فویل آلومینیوم مس در فرآیند تولید ایجاد می شود. پدیده مشاهده شده این است که باتری خیلی سریع نشت می کند و بیشتر آنها می توانند توسط کارخانه های سلولی یا کارخانه های مونتاژ غربال شوند. و چون فرزها کوچک هستند، گاهی اوقات می سوزند و باتری را به حالت عادی برمی گرداند. بنابراین احتمال انفجار ناشی از اتصال کوتاه میکرو فرز زیاد نیست. چنین دیدگاه، اغلب می تواند از داخل هر کارخانه سلول شارژ، ولتاژ در باتری کم بد، اما به ندرت انفجار، دریافت پشتیبانی آماری. بنابراین، انفجار ناشی از اتصال کوتاه داخلی عمدتاً ناشی از شارژ بیش از حد است. از آنجا که کریستال های سوزنی مانند فلز لیتیوم در همه جا روی ورق الکترود پشتی که بیش از حد شارژ شده وجود دارد، نقاط سوراخ در همه جا وجود دارد و اتصال کوتاه میکرو در همه جا اتفاق می افتد. بنابراین دمای سلول به تدریج افزایش می یابد و در نهایت دمای بالا باعث الکترولیت گاز می شود. این وضعیت، چه دما برای ایجاد انفجار احتراق مواد بسیار بالا باشد، یا پوسته ابتدا شکسته شود، به طوری که هوا در داخل و اکسیداسیون شدید فلز لیتیوم، پایان انفجار است.

اما چنین انفجاری ناشی از اتصال کوتاه داخلی ناشی از شارژ بیش از حد، لزوماً در زمان شارژ اتفاق نمی افتد. این امکان وجود دارد که مصرف کنندگان قبل از اینکه باتری آنقدر داغ شود که مواد را بسوزاند و گاز کافی برای ترکیدن محفظه باتری تولید کند، شارژ را متوقف کرده و گوشی خود را خارج کنند. گرمای حاصل از اتصالات کوتاه متعدد باتری را به آرامی گرم می کند و پس از مدتی منفجر می شود. توصیف رایج مصرف کنندگان این است که آنها گوشی را برداشتند و متوجه شدند که بسیار داغ است، سپس آن را دور انداختند و منفجر شد. بر اساس انواع انفجار فوق، می توانیم بر جلوگیری از شارژ بیش از حد، جلوگیری از اتصال کوتاه خارجی و بهبود ایمنی سلول تمرکز کنیم. در میان آنها، جلوگیری از شارژ بیش از حد و اتصال کوتاه خارجی متعلق به حفاظت الکترونیکی است که تا حد زیادی به طراحی سیستم باتری و بسته باتری مربوط می شود. نکته کلیدی بهبود ایمنی سلول، حفاظت شیمیایی و مکانیکی است که ارتباط بسیار خوبی با تولیدکنندگان سلول دارد.

مشکل پنهان ایمن

ایمنی باتری لیتیوم یونی نه تنها به ماهیت خود ماده سلولی مربوط می شود، بلکه به فناوری آماده سازی و استفاده از باتری نیز مربوط می شود. باتری های تلفن همراه از یک طرف به دلیل خرابی مدار محافظ اغلب منفجر می شوند، اما مهمتر از آن، جنبه مادی مشکل را اساساً حل نکرده است.

ماده فعال کاتد لیتیوم اسید کبالت یک سیستم بسیار بالغ در باتری‌های کوچک است، اما پس از شارژ کامل، هنوز مقدار زیادی یون لیتیوم در آند وجود دارد، زمانی که شارژ بیش از حد در آند باقی می‌ماند، انتظار می‌رود یون لیتیوم به سمت آند جمع شود. دندریت بر روی کاتد تشکیل شده است با استفاده از اسید کبالت باتری لیتیوم اضافه شارژ، حتی در فرآیند شارژ و تخلیه معمولی، همچنین ممکن است یون های لیتیوم اضافی آزاد به الکترود منفی برای تشکیل دندریت وجود داشته باشد. انرژی ویژه نظری مواد لیتیوم کبالات بیش از 270 mah/g است، اما ظرفیت واقعی تنها نیمی از ظرفیت نظری برای اطمینان از عملکرد دوچرخه‌سواری آن است. در فرآیند استفاده، به دلایلی (مانند آسیب به سیستم مدیریت) و ولتاژ شارژ باتری بیش از حد بالا، قسمت باقی مانده از لیتیوم در الکترود مثبت، از طریق الکترولیت به سطح الکترود منفی خارج می شود. شکل رسوب فلز لیتیوم برای تشکیل دندریت. دندریت ها دیافراگم را سوراخ می کنند و یک اتصال کوتاه داخلی ایجاد می کنند.

جزء اصلی الکترولیت کربنات است که نقطه اشتعال پایین و نقطه جوش پایینی دارد. در شرایط خاصی می سوزد یا حتی منفجر می شود. اگر باتری بیش از حد داغ شود منجر به اکسیده شدن و کاهش کربنات در الکترولیت و در نتیجه گاز زیاد و گرمای بیشتر می شود. اگر سوپاپ اطمینان وجود نداشته باشد یا گاز از طریق شیر اطمینان آزاد نشود، فشار داخلی باتری به شدت بالا می رود و باعث انفجار می شود.

باتری یون لیتیوم الکترولیت پلیمری اساساً مشکل ایمنی را حل نمی کند، اسید لیتیوم کبالت و الکترولیت آلی نیز استفاده می شود، و الکترولیت کلوئیدی است، به راحتی نشت نمی کند، احتراق شدیدتر رخ می دهد، احتراق بزرگترین مشکل ایمنی باتری پلیمری است.

در استفاده از باتری نیز مشکلاتی وجود دارد. یک اتصال کوتاه خارجی یا داخلی می تواند چند صد آمپر جریان بیش از حد تولید کند. هنگامی که یک اتصال کوتاه خارجی رخ می دهد، باتری فورا جریان زیادی را تخلیه می کند، مقدار زیادی انرژی مصرف می کند و گرمای زیادی روی مقاومت داخلی ایجاد می کند. اتصال کوتاه داخلی جریان بزرگی را تشکیل می دهد و دما افزایش می یابد و باعث ذوب شدن دیافراگم و گسترش ناحیه اتصال کوتاه می شود و در نتیجه یک چرخه معیوب شکل می گیرد.

باتری لیتیوم یون به منظور دستیابی به یک سلول تک 3 ~ 4.2V ولتاژ کار بالا، باید تجزیه ولتاژ بیشتر از 2V الکترولیت آلی است، و استفاده از الکترولیت آلی در جریان بالا، شرایط دمای بالا خواهد شد الکترولیز، الکترولیتی. گاز، و در نتیجه افزایش فشار داخلی، جدی از طریق پوسته شکستن.

شارژ بیش از حد ممکن است فلز لیتیوم را رسوب دهد، در صورت پارگی پوسته، تماس مستقیم با هوا، و در نتیجه احتراق، در همان زمان الکترولیت احتراق، شعله قوی، انبساط سریع گاز، انفجار.

علاوه بر این، برای باتری لیتیوم یون تلفن همراه، به دلیل استفاده نادرست، مانند اکستروژن، ضربه و مصرف آب منجر به انبساط باتری، تغییر شکل و ترک خوردگی و غیره می شود که منجر به اتصال کوتاه باتری، در فرآیند تخلیه یا شارژ می شود. توسط انفجار حرارتی

ایمنی باتری های لیتیومی:

به منظور جلوگیری از تخلیه بیش از حد یا شارژ بیش از حد ناشی از استفاده نادرست، مکانیسم حفاظت سه گانه در باتری لیتیوم یونی تنظیم شده است. یکی استفاده از عناصر سوئیچینگ است، هنگامی که دمای باتری افزایش می یابد، مقاومت آن افزایش می یابد، زمانی که دما بیش از حد بالا باشد، به طور خودکار منبع تغذیه را متوقف می کند. دوم این است که مواد پارتیشن مناسب را انتخاب کنید، هنگامی که دما به مقدار مشخصی افزایش می یابد، منافذ میکرونی روی پارتیشن به طور خودکار حل می شوند، به طوری که یون های لیتیوم نمی توانند عبور کنند، واکنش داخلی باتری متوقف می شود. سومین راه اندازی سوپاپ اطمینان (یعنی سوراخ دریچه بالای باتری) است. هنگامی که فشار داخلی باتری به مقدار مشخصی افزایش می یابد، دریچه ایمنی به طور خودکار باز می شود تا از ایمنی باتری اطمینان حاصل شود.

گاهی اوقات اگرچه خود باتری دارای تدابیر کنترل ایمنی است، اما به دلایلی ناشی از خرابی کنترل، عدم وجود سوپاپ اطمینان یا گاز زمانی برای رها شدن از شیر اطمینان ندارد، فشار داخلی باتری به شدت بالا می رود و باعث می شود یک انفجار به طور کلی، کل انرژی ذخیره شده در باتری های لیتیوم یونی با ایمنی آنها نسبت معکوس دارد. با افزایش ظرفیت باتری، حجم باتری نیز افزایش می یابد و عملکرد اتلاف حرارت آن بدتر می شود و احتمال بروز حوادث بسیار افزایش می یابد. برای باتری‌های لیتیوم یونی که در تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند، شرط اساسی این است که احتمال تصادفات ایمنی کمتر از یک در میلیون باشد که این حداقل استاندارد قابل قبول برای عموم نیز می‌باشد. برای باتری های لیتیوم یونی با ظرفیت بالا، به ویژه برای خودروها، استفاده از اتلاف گرمای اجباری بسیار مهم است.

انتخاب مواد الکترود ایمن تر، مواد اکسید منگنز لیتیوم، از نظر ساختار مولکولی برای اطمینان از اینکه در حالت بار کامل، یون های لیتیوم در الکترود مثبت به طور کامل در سوراخ کربن منفی جاسازی شده اند، اساسا از تولید دندریت جلوگیری می کند. در عین حال، ساختار پایدار اسید لیتیوم منگنز، به طوری که عملکرد اکسیداسیون آن بسیار کمتر از اسید لیتیوم کبالت است، دمای تجزیه اسید لیتیوم کبالت بیش از 100 ℃، حتی به دلیل اتصال کوتاه خارجی خارجی (سوزن)، خارجی اتصال کوتاه، شارژ بیش از حد، همچنین می تواند به طور کامل از خطر احتراق و انفجار ناشی از رسوب فلز لیتیوم جلوگیری کند.

علاوه بر این، استفاده از مواد منگنات لیتیوم نیز می تواند تا حد زیادی هزینه را کاهش دهد.

برای بهبود عملکرد فناوری کنترل ایمنی موجود، ابتدا باید عملکرد ایمنی هسته باتری لیتیوم یون را بهبود دهیم، که به ویژه برای باتری‌های با ظرفیت بالا مهم است. دیافراگمی با عملکرد خوب بسته شدن حرارتی انتخاب کنید. نقش دیافراگم جداسازی قطب های مثبت و منفی باتری و در عین حال اجازه عبور یون های لیتیوم است. هنگامی که دما افزایش می یابد، غشاء قبل از ذوب شدن بسته می شود و مقاومت داخلی را تا 2000 اهم افزایش می دهد و واکنش داخلی را خاموش می کند. هنگامی که فشار یا دمای داخلی به استاندارد از پیش تعیین شده برسد، شیر ضد انفجار باز می شود و شروع به کاهش فشار می کند تا از تجمع بیش از حد گاز داخلی، تغییر شکل و در نهایت منجر به ترکیدن پوسته جلوگیری شود. حساسیت کنترل را بهبود بخشید، پارامترهای کنترلی حساس‌تر را انتخاب کنید و کنترل ترکیبی چند پارامتر (که مخصوصاً برای باتری‌های با ظرفیت بالا مهم است) را اتخاذ کنید. برای ظرفیت بزرگ بسته باتری لیتیوم یون یک ترکیب سلولی چندگانه سری / موازی است، مانند ولتاژ رایانه نوت بوک بیش از 10 ولت، ظرفیت بزرگ، به طور کلی با استفاده از 3 تا 4 سری باتری تک می تواند نیازهای ولتاژ را برآورده کند، و سپس 2 تا 3 سری از بسته باتری موازی، به منظور اطمینان از ظرفیت بزرگ.

بسته باتری با ظرفیت بالا باید به عملکرد حفاظتی نسبتاً کاملی مجهز باشد و دو نوع ماژول برد مدار نیز باید در نظر گرفته شود: ماژول ProtecTIonBoardPCB و ماژول SmartBatteryGaugeBoard. کل طراحی حفاظت از باتری شامل: آی سی حفاظتی سطح 1 (جلوگیری از شارژ بیش از حد باتری، تخلیه بیش از حد، اتصال کوتاه)، آی سی حفاظتی سطح 2 (جلوگیری از اضافه ولتاژ دوم)، فیوز، نشانگر LED، تنظیم دما و سایر اجزاء است. تحت مکانیسم حفاظت چند سطحی، حتی در مورد شارژر و لپ‌تاپ برق غیرعادی، باتری لپ‌تاپ فقط می‌تواند به حالت حفاظت خودکار تغییر کند. اگر وضعیت جدی نباشد، اغلب پس از وصل شدن و جدا شدن بدون انفجار به طور معمول کار می کند.

فناوری زیربنایی مورد استفاده در باتری‌های لیتیوم یونی که در لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شود، ناامن است و باید ساختارهای ایمن‌تری در نظر گرفته شود.

در نتیجه، با پیشرفت فناوری مواد و عمیق‌تر شدن درک مردم از الزامات طراحی، ساخت، آزمایش و استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی، آینده باتری‌های لیتیوم یونی امن‌تر خواهد شد.