As baterias de lítio são o sistema de bateria que mais cresceu nos últimos 20 anos e são amplamente utilizadas em produtos eletrônicos.A recente explosão de telefones celulares e laptops é essencialmente uma explosão de baterias.Como são as baterias de celulares e laptops, como funcionam, por que explodem e como evitá-las.
Os efeitos colaterais começam a ocorrer quando a célula de lítio é sobrecarregada a uma tensão superior a 4,2V.Quanto maior a pressão de sobrecarga, maior o risco.Em tensões superiores a 4,2 V, quando menos da metade dos átomos de lítio são deixados no material do cátodo, a célula de armazenamento frequentemente entra em colapso, causando um declínio permanente na capacidade da bateria.Se a carga continuar, os metais de lítio subsequentes irão acumular-se na superfície do material do cátodo, uma vez que a célula de armazenamento do cátodo já está cheia de átomos de lítio.Esses átomos de lítio desenvolvem cristais dendríticos da superfície do cátodo na direção dos íons de lítio.Os cristais de lítio passarão pelo papel do diafragma, causando curto-circuito no ânodo e no cátodo.Às vezes, a bateria explode antes que ocorra um curto-circuito.Isso porque durante o processo de sobrecarga, materiais como eletrólitos quebram para produzir gás que faz com que o invólucro da bateria ou a válvula de pressão inche e estoure, permitindo que o oxigênio reaja com os átomos de lítio acumulados na superfície do eletrodo negativo e exploda.
Portanto, ao carregar a bateria de lítio, é necessário definir o limite superior de tensão, levando em consideração a vida útil, a capacidade e a segurança da bateria.O limite superior ideal da tensão de carga é 4,2V.Também deve haver um limite de tensão mais baixo quando as células de lítio são descarregadas.Quando a tensão da célula cai abaixo de 2,4 V, parte do material começa a se decompor.E como a bateria irá se autodescarregar, quanto mais tempo a tensão será menor, portanto, é melhor não descarregar 2,4V para parar.De 3,0 V a 2,4 V, as baterias de lítio liberam apenas cerca de 3% de sua capacidade.Portanto, 3,0 V é uma tensão de corte de descarga ideal.Ao carregar e descarregar, além do limite de tensão, também é necessário o limite de corrente.Quando a corrente é muito alta, os íons de lítio não têm tempo de entrar na célula de armazenamento e se acumulam na superfície do material.
À medida que esses íons ganham elétrons, eles cristalizam átomos de lítio na superfície do material, o que pode ser tão perigoso quanto a sobrecarga.Se a caixa da bateria quebrar, ela explodirá.Portanto, a proteção da bateria de íon de lítio deve incluir pelo menos o limite superior da tensão de carga, o limite inferior da tensão de descarga e o limite superior da corrente.Em geral, além do núcleo da bateria de lítio, haverá uma placa de proteção, que serve principalmente para fornecer proteção a esses três.No entanto, a placa de proteção dessas três proteções obviamente não é suficiente, os eventos globais de explosão de baterias de lítio ou frequentes.Para garantir a segurança dos sistemas de baterias, é necessária uma análise mais cuidadosa da causa das explosões das baterias.
Causa da explosão:
1. Grande polarização interna;
2.A peça polar absorve água e reage com o tambor de gás eletrolítico;
3.A qualidade e desempenho do próprio eletrólito;
4.A quantidade de injeção de líquido não atende aos requisitos do processo;
5. O desempenho da vedação de soldagem a laser é ruim no processo de preparação e o vazamento de ar é detectado.
6. Poeira e poeira de pólo são fáceis de causar primeiro microcurto-circuito;
7.Placa positiva e negativa mais espessa que a faixa de processo, difícil de descascar;
8. Problema de vedação da injeção de líquido, mau desempenho de vedação da esfera de aço leva ao tambor de gás;
9. A parede do material de entrada do invólucro é muito espessa, a deformação do invólucro afeta a espessura;
10. A alta temperatura ambiente externa também é a principal causa da explosão.
O tipo de explosão
Análise do tipo de explosão Os tipos de explosão do núcleo da bateria podem ser classificados como curto-circuito externo, curto-circuito interno e sobrecarga.O externo aqui se refere ao externo da célula, incluindo o curto-circuito causado pelo mau design de isolamento da bateria interna.Quando ocorre um curto-circuito fora da célula e os componentes eletrônicos não conseguem cortar o circuito, a célula gera muito calor no interior, fazendo com que parte do eletrólito vaporize, o invólucro da bateria.Quando a temperatura interna da bateria é alta para 135 graus Celsius, o papel diafragma de boa qualidade fechará o orifício fino, a reação eletroquímica será encerrada ou quase encerrada, a corrente cairá e a temperatura também cairá lentamente, evitando assim a explosão .Mas um papel de diafragma com uma taxa de fechamento baixa, ou que não fecha, manterá a bateria quente, vaporizará mais eletrólito e, eventualmente, romperá o invólucro da bateria ou até mesmo aumentará a temperatura da bateria a ponto de o material queimar. e explode.O curto-circuito interno é causado principalmente pela rebarba da folha de cobre e da folha de alumínio que perfura o diafragma ou pelos cristais dendríticos dos átomos de lítio que perfuram o diafragma.
Esses minúsculos metais em forma de agulha podem causar microcurtos-circuitos.Como a agulha é muito fina e tem um certo valor de resistência, a corrente não é necessariamente muito grande.As rebarbas da folha de cobre e alumínio são causadas no processo de produção.O fenômeno observado é que a bateria vaza muito rápido, e a maioria delas pode ser filtrada por fábricas de células ou montadoras.E como as rebarbas são pequenas, às vezes elas queimam, fazendo com que a bateria volte ao normal.Portanto, a probabilidade de explosão causada por microcurto-circuito de rebarbas não é alta.Tal visão, muitas vezes pode carregar a partir do interior de cada fábrica de células, a tensão na bateria fraca e ruim, mas raramente explosão, obter suporte estatístico.Portanto, a explosão causada por curto-circuito interno é causada principalmente por sobrecarga.Como existem cristais de metal de lítio semelhantes a agulhas em todos os lugares da folha do eletrodo traseiro sobrecarregado, os pontos de punção estão por toda parte e micro-curtos-circuitos ocorrem em todos os lugares.Portanto, a temperatura da célula aumentará gradualmente e, finalmente, a alta temperatura irá eletrólito do gás.Esta situação, se a temperatura é muito alta para causar a explosão da combustão do material, ou se o invólucro foi quebrado primeiro, de modo que o ar e a forte oxidação do metal de lítio são o fim da explosão.
Mas tal explosão, causada por um curto-circuito interno causado por sobrecarga, não ocorre necessariamente no momento do carregamento.É possível que os consumidores parem de carregar e retirem seus telefones antes que a bateria esteja quente o suficiente para queimar materiais e produzir gás suficiente para estourar a caixa da bateria.O calor gerado pelos numerosos curtos-circuitos aquece lentamente a bateria e, depois de algum tempo, explode.A descrição comum dos consumidores é que eles pegaram o telefone e descobriram que estava muito quente, jogaram-no fora e explodiram.Com base nos tipos de explosão acima, podemos focar na prevenção de sobrecarga, na prevenção de curto-circuito externo e na melhoria da segurança da célula.Dentre eles, a prevenção de sobrecarga e curto-circuito externo pertence à proteção eletrônica, que está muito relacionada ao projeto do sistema de bateria e da bateria.O ponto chave para melhorar a segurança das células é a proteção química e mecânica, que tem um ótimo relacionamento com os fabricantes de células.
Problema oculto seguro
A segurança da bateria de íon de lítio não está apenas relacionada à natureza do material da célula em si, mas também à tecnologia de preparação e ao uso da bateria.As baterias dos telemóveis explodem frequentemente, por um lado, devido à falha do circuito de protecção, mas mais importante ainda, o aspecto material não resolveu fundamentalmente o problema.
O material ativo do cátodo de lítio ácido cobalto é um sistema muito maduro em baterias pequenas, mas após uma carga completa, ainda há muitos íons de lítio no ânodo, quando a sobrecarga, permanecendo no ânodo de íons de lítio, espera-se que migrem para o ânodo , é formado no dendrito do cátodo usando o corolário de sobrecarga da bateria de lítio de ácido cobalto, mesmo no processo normal de carga e descarga. Também pode haver excesso de íons de lítio livres para o eletrodo negativo para formar dendritos.A energia específica teórica do material de cobalato de lítio é superior a 270 mAh/g, mas a capacidade real é apenas metade da capacidade teórica para garantir seu desempenho de ciclagem.No processo de uso, por algum motivo (como danos ao sistema de gerenciamento) e a tensão de carregamento da bateria for muito alta, a parte restante do lítio no eletrodo positivo será removida, através do eletrólito até a superfície do eletrodo negativo em a forma de deposição de metal de lítio para formar dendritos.Dendritos perfuram o diafragma, criando um curto-circuito interno.
O principal componente do eletrólito é o carbonato, que possui baixo ponto de fulgor e baixo ponto de ebulição.Ele irá queimar ou até explodir sob certas condições.Se a bateria superaquecer, isso levará à oxidação e redução do carbonato no eletrólito, resultando em muito gás e mais calor.Se não houver válvula de segurança ou o gás não for liberado pela válvula de segurança, a pressão interna da bateria aumentará drasticamente e causará uma explosão.
A bateria de íon de lítio com eletrólito de polímero não resolve fundamentalmente o problema de segurança, ácido cobalto de lítio e eletrólito orgânico também são usados, e o eletrólito é coloidal, não é fácil de vazar, ocorrerá uma combustão mais violenta, a combustão é o maior problema de segurança da bateria de polímero.
Existem também alguns problemas com o uso da bateria.Um curto-circuito externo ou interno pode produzir algumas centenas de amperes de corrente excessiva.Quando ocorre um curto-circuito externo, a bateria descarrega instantaneamente uma grande corrente, consumindo grande quantidade de energia e gerando enorme calor na resistência interna.O curto-circuito interno forma uma grande corrente e a temperatura aumenta, fazendo com que o diafragma derreta e a área de curto-circuito se expanda, formando assim um ciclo vicioso.
Bateria de íon de lítio, a fim de atingir uma única célula de alta tensão de trabalho de 3 ~ 4,2 V, deve levar a decomposição da tensão é maior que 2 V de eletrólito orgânico, e o uso de eletrólito orgânico em alta corrente, condições de alta temperatura serão eletrolisadas, eletrolíticas gás, resultando em aumento da pressão interna, sérios rompem a casca.
A sobrecarga pode precipitar o metal de lítio, em caso de ruptura do invólucro, contato direto com o ar, resultando em combustão, ao mesmo tempo ignição do eletrólito, chama forte, rápida expansão do gás, explosão.
Além disso, para baterias de íons de lítio de telefones celulares, devido ao uso inadequado, como extrusão, impacto e entrada de água, levam à expansão, deformação e rachaduras da bateria, etc., o que levará a um curto-circuito da bateria, no processo de descarga ou carregamento causado por explosão térmica.
Segurança das baterias de lítio:
Para evitar descarga excessiva ou sobrecarga causada por uso indevido, o mecanismo de proteção tripla é definido em uma única bateria de íon de lítio.Uma delas é a utilização de elementos de comutação, quando a temperatura da bateria aumenta, sua resistência aumenta, quando a temperatura está muito alta, interrompe automaticamente o fornecimento de energia;A segunda é escolher o material de partição apropriado, quando a temperatura sobe para um determinado valor, os poros micrométricos da partição se dissolverão automaticamente, de modo que os íons de lítio não possam passar, a reação interna da bateria será interrompida;A terceira é configurar a válvula de segurança (ou seja, o orifício de ventilação na parte superior da bateria).Quando a pressão interna da bateria atingir um determinado valor, a válvula de segurança abrirá automaticamente para garantir a segurança da bateria.
Às vezes, embora a própria bateria tenha medidas de controle de segurança, mas por alguns motivos causados pela falha de controle, a falta de válvula de segurança ou o gás não tem tempo de ser liberado através da válvula de segurança, a pressão interna da bateria aumentará acentuadamente e causará uma explosão.Geralmente, a energia total armazenada nas baterias de íons de lítio é inversamente proporcional à sua segurança.À medida que a capacidade da bateria aumenta, o volume da bateria também aumenta, e o seu desempenho de dissipação de calor deteriora-se, e a possibilidade de acidentes aumenta muito.Para baterias de iões de lítio utilizadas em telemóveis, o requisito básico é que a probabilidade de acidentes de segurança seja inferior a um em um milhão, que é também o padrão mínimo aceitável para o público.Para baterias de íon-lítio de grande capacidade, especialmente para automóveis, é muito importante adotar a dissipação forçada de calor.
A seleção de materiais de eletrodo mais seguros, material de óxido de manganês de lítio, em termos de estrutura molecular para garantir que, no estado de carga total, os íons de lítio no eletrodo positivo foram completamente incorporados no buraco de carbono negativo, evitando fundamentalmente a geração de dendritos.Ao mesmo tempo, a estrutura estável do ácido lítio-manganês, de modo que seu desempenho de oxidação é muito menor do que o ácido cobalto-lítio, a temperatura de decomposição do ácido cobalto-lítio é superior a 100 ℃, mesmo por causa de curto-circuito externo externo (agulha), externo curto-circuito, sobrecarga, também pode evitar completamente o perigo de combustão e explosão causada pelo metal de lítio precipitado.
Além disso, o uso de material manganato de lítio também pode reduzir bastante o custo.
Para melhorar o desempenho da tecnologia de controle de segurança existente, devemos primeiro melhorar o desempenho de segurança do núcleo da bateria de íons de lítio, o que é particularmente importante para baterias de grande capacidade.Escolha um diafragma com bom desempenho de fechamento térmico.A função do diafragma é isolar os pólos positivo e negativo da bateria, permitindo a passagem de íons de lítio.Quando a temperatura aumenta, a membrana é fechada antes de derreter, aumentando a resistência interna para 2.000 ohms e interrompendo a reação interna.Quando a pressão ou temperatura interna atinge o padrão predefinido, a válvula à prova de explosão se abrirá e começará a aliviar a pressão para evitar o acúmulo excessivo de gás interno, deformação e, eventualmente, levar ao rompimento do invólucro.Melhore a sensibilidade do controle, selecione parâmetros de controle mais sensíveis e adote o controle combinado de múltiplos parâmetros (o que é particularmente importante para baterias de grande capacidade).Para bateria de íon de lítio de grande capacidade é uma composição de células múltiplas em série / paralela, como a tensão do notebook é superior a 10 V, grande capacidade, geralmente usando 3 a 4 séries de bateria única pode atender aos requisitos de tensão e, em seguida, 2 a 3 séries de bateria paralela, a fim de garantir grande capacidade.
A própria bateria de alta capacidade deve ser equipada com uma função de proteção relativamente perfeita, e dois tipos de módulos de placa de circuito também devem ser considerados: módulo ProtecTIonBoardPCB e módulo SmartBatteryGaugeBoard.Todo o design de proteção da bateria inclui: IC de proteção de nível 1 (evita sobrecarga da bateria, descarga excessiva, curto-circuito), IC de proteção de nível 2 (evita segunda sobretensão), fusível, indicador LED, regulação de temperatura e outros componentes.Sob o mecanismo de proteção multinível, mesmo no caso de carregador de energia anormal e laptop, a bateria do laptop só pode ser colocada no estado de proteção automática.Se a situação não for grave, muitas vezes funciona normalmente depois de ser conectado e removido sem explosão.
A tecnologia subjacente utilizada nas baterias de iões de lítio utilizadas em computadores portáteis e telemóveis não é segura e é necessário considerar estruturas mais seguras.
Concluindo, com o progresso da tecnologia de materiais e o aprofundamento da compreensão das pessoas sobre os requisitos para o projeto, fabricação, teste e uso de baterias de íon de lítio, o futuro das baterias de íon de lítio se tornará mais seguro.
Horário da postagem: 07 de março de 2022