Безопасность, скрытая опасность и безопасная конструкция литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи - угрозы безопасности:

Безопасность литий-ионных аккумуляторов зависит не только от свойств материала бассейна, но и от технологии изготовления и использования аккумуляторов. Частые взрывы аккумуляторов мобильных телефонов происходят из-за выхода из строя схемы защиты, но, что более важно, нет принципиального решения проблемы с точки зрения материалов.

Активный материал положительного катода на основе литиево-кобальтовой кислоты представляет собой очень зрелую систему с точки зрения небольших сердечников, но после полной зарядки на положительном полюсе все еще остается большое количество ионов лития. При перезарядке ионы лития, оставшиеся на положительном полюсе, будут стекаться к отрицательному полюсу. Образование дендритов на отрицательном электроде - неизбежный результат перезарядки аккумуляторов с использованием литий-кобальтовых кислот. Даже во время нормального процесса зарядки и разрядки может быть избыток ионов лития, свободных от отрицательного электрода, с образованием дендритов. Теоретическая энергия литий-кобальтового кислотного материала составляет более 270 мА на грамм, но для обеспечения его рециркуляции фактическая емкость составляет только половину от теоретической емкости. Во время использования по какой-либо причине (например, повреждение системы управления) напряжение зарядки аккумулятора слишком высокое, и оставшаяся часть лития в положительном электроде будет удалена и осаждена в виде металлического лития через электролит на отрицательный поверхность электрода с образованием дендритов. Дендрит пробивает диафрагму, образуя внутреннее короткое замыкание.

Основной компонент электролита - карбонат. Температура вспышки очень низкая, и температура кипения также низкая. При определенных условиях он загорится или даже взорвется. Если аккумулятор перегрет, это вызовет окисление и восстановление карбоната в электролите, что приведет к образованию большого количества газа и большего количества тепла. Например, если предохранительный клапан отсутствует или газ слишком поздно для выпуска через предохранительный клапан, внутреннее давление аккумулятора резко возрастет и вызовет взрыв.

Литий-ионные батареи с полимерным электролитом принципиально не решают проблему безопасности. Также используются литий-кобальтовая кислота и органические электролиты, причем электролиты коллоидны и не подвержены утечке. Произойдет более сильное возгорание. Горение - это безопасность полимерных батарей. Большая проблема.

Есть также некоторые проблемы в использовании. Внешнее короткое замыкание или внутреннее короткое замыкание батареи приведет к возникновению чрезмерного тока в сотни ампер. Когда аккумулятор закорачивается, аккумулятор мгновенно разряжает большой ток, который потребляет много энергии и выделяет много тепла. Внутреннее короткое замыкание образует большой ток, и температура повышается, в результате чего диафрагма плавится, а область короткого замыкания расширяется, образуя порочный круг.

Чтобы обеспечить высокое рабочее напряжение от 3 до 4,2 В на одном сердечнике, в литий-ионной батарее должен использоваться органический электролит с напряжением разложения более 2 В, а органический электролит будет подвергаться электролизу при высоком токе и высокой температуре. условия электролиза для получения газа. Повышает внутреннее давление и серьезно пробивает оболочку.

Избыточная зарядка может привести к выделению металлического лития. В случае разрыва оболочки прямой контакт с воздухом приводит к возгоранию, при воспламенении электролита возникает сильное пламя, и газ быстро расширяется и взрывается.

Кроме того, для литий-ионных аккумуляторов мобильных телефонов из-за неправильного использования, такого как выдавливание, удары и попадание воды, что приводит к расширению, деформации и растрескиванию аккумулятора и т. Д., Это приведет к короткому замыканию аккумуляторов во время разрядки или зарядки. процесс теплового взрыва.

Литий-ионный аккумулятор, обеспечивающий безопасность:

Литий-ионные батареи имеют тройной механизм защиты в одной литий-ионной батарее, чтобы избежать переразряда или перезарядки батареи из-за неправильного использования. Один из них - использование коммутирующих компонентов. Когда температура в аккумуляторе повышается, увеличивается его сопротивление. Когда температура слишком высока, подача питания автоматически прекращается. Второй - выбрать подходящий материал перегородки. Когда температура поднимается до определенного значения, микронные отверстия на перегородке автоматически растворяются, так что ионы лития не могут проходить и внутренняя реакция аккумулятора прекращается; Третий - установить предохранительный клапан (то есть отверстие для выпуска воздуха в верхней части батареи). Когда внутреннее давление аккумулятора повышается до определенного значения, автоматически открывается предохранительный клапан, чтобы обеспечить безопасность аккумулятора.

Иногда, несмотря на то, что в самой батарее есть меры безопасности, по определенным причинам, из-за неисправности управления, отсутствия предохранительного клапана или невозможности выпуска газа через предохранительный клапан, внутреннее давление батареи резко возрастает и вызывает взрыв.

В нормальных условиях общая энергия, запасенная в литий-ионных батареях, обратно пропорциональна их безопасности. С увеличением емкости аккумулятора увеличивается и объем аккумулятора, ухудшаются характеристики рассеивания тепла, а вероятность аварии значительно возрастает. Основное требование для литий-ионных аккумуляторов для мобильных телефонов состоит в том, чтобы вероятность аварийного происшествия составляла менее одной миллионной, что является самым низким стандартом, приемлемым для населения. Для литий-ионных аккумуляторов большой емкости, особенно литий-ионных аккумуляторов большой емкости, таких как автомобильные, особенно важно использовать принудительный отвод тепла.

Выбор более безопасного материала электрода и выбор материала манганата лития гарантирует, что ион лития положительного электрода полностью встроен в углеродное отверстие отрицательного электрода в молекулярной структуре, что принципиально предотвращает образование дендритов. В то же время стабильная структура манганата лития делает его окислительную способность намного ниже, чем у кобальтата лития. Температура разложения кобальтата лития превышает 100 ° C. Даже если внутреннее короткое замыкание (иглоукалывание) из-за внешней силы, внешнего короткого замыкания, перезаряда, оно вполне работоспособно. Исключается опасность возгорания и взрыва из-за осаждения металлического лития.

Кроме того, использование литий-марганцевых кислотных материалов также может значительно снизить затраты.

Чтобы улучшить характеристики существующей технологии управления безопасностью, необходимо улучшить характеристики безопасности сердечника литий-ионной батареи, что особенно важно для аккумуляторов большой емкости. Выберите диафрагму с хорошими характеристиками термического закрытия. Роль диафрагмы заключается в разделении положительного и отрицательного полюсов батареи, позволяя проходить ионам лития. Когда температура повышается, она закрывается до того, как диафрагма плавится, так что внутреннее сопротивление повышается до 2000 Ом и внутренняя реакция прекращается.

Когда внутреннее давление или температура достигают заданного стандарта, воздушный клапан открывается и начинает выпускать воздух, чтобы предотвратить накопление слишком большого количества внутреннего газа и деформацию, которая в конечном итоге приведет к разрыву оболочки.

Повышенная чувствительность управления, более чувствительный выбор параметров управления и совместное управление с несколькими параметрами (это особенно важно для аккумуляторов большой емкости). Например, для литий-ионных аккумуляторов большой емкости, которые состоят из последовательно / параллельно нескольких ядер, напряжение портативного компьютера превышает 10 В, а емкость большая. Как правило, от 3 до 4 отдельных ячеек могут использоваться последовательно для удовлетворения требований к напряжению. Затем параллельно подключаются от двух до трех батарей, чтобы обеспечить большую емкость.

Сама батарея большой емкости должна быть снабжена относительно полной функцией защиты. Также следует учитывать два модуля печатных плат: модуль Protection Framework PCB и модуль SmartBatteryGaugeBoard. Конструкция защиты аккумулятора всего набора включает: ИС защиты уровня 1 (для предотвращения перезарядки аккумулятора, переразряда, короткого замыкания), ИС защиты уровня 2 (для предотвращения второго избыточного давления), предохранитель, светодиодную индикацию, регулировку температуры и другие компоненты.

Благодаря многоуровневому механизму защиты, даже в случае неправильного питания зарядных устройств и ноутбуков, аккумулятор ноутбука можно переключить только в состояние автоматической защиты. Если ситуация несерьезная, после повторного подключения он все равно будет работать в обычном режиме. Произойдет взрыв.

В настоящее время технология, лежащая в основе литий-ионных аккумуляторов, используемых в ноутбуках и мобильных телефонах, небезопасна и требует рассмотрения более безопасных конструкций.

Короче говоря, будущее литий-ионных аккумуляторов станет более безопасным с развитием технологий материалов и растущим пониманием требований к проектированию, производству, испытаниям и использованию литий-ионных аккумуляторов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.