Warum verlieren Lithiumbatterien die Beherrschung?

I. Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batterie

Lithium ist das kleinste und aktivste Metall im Periodensystem. Mit geringem Volumen und hoher Kapazitätsdichte wird es von Verbrauchern und Ingenieuren allgemein begrüßt. Aber die zu aktive Chemikalie kann gefährlich sein. Lithium kann an der Luft in einer heftigen Oxidationsreaktion mit Sauerstoff explodieren. Um die Sicherheit und Spannung zu verbessern, haben Wissenschaftler Materialien wie Graphit und lithiumkobaltoxid entwickelt, um Lithiumatome zu speichern. Die Molekülstruktur dieser Materialien bildet ein feines Speichergitter im Nanomaßstab, in dem Lithiumatome gespeichert werden können. Auf diese Weise sind die Moleküle selbst dann zu groß, wenn die Batteriehülle zerbricht und Sauerstoff eindringt, um in die winzigen Zellen zu passen, wodurch verhindert werden kann, dass die Lithiumatome mit Sauerstoff in Kontakt kommen und explodieren.

Das Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie ermöglicht es Menschen, ihre hohe Kapazitätsdichte zu erreichen und gleichzeitig den Zweck der Sicherheit zu erreichen. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie geladen wird, verlieren die positiv geladenen Lithiumatome Elektronen und oxidieren zu Lithiumionen. Die Lithiumionen schwimmen durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode, wo sie in eine Zelle eintreten, wo sie ein Elektron gewinnen und zu Lithiumatomen reduziert werden. Entladung, der gesamte Prozess umgekehrt. Um zu verhindern, dass sich die Batterie positiv und negativ direkt berührt und kurzschließt, wird die Batterie mit einer Reihe von Membranpapieren mit dünnen Löchern versehen, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Gutes Membranpapier kann auch in der Batterietemperatur zu hoch sein, automatisch das Loch schließen, das Lithiumion nicht passieren lassen, um Kampfkunst zu verschwenden, um die Gefahr zu vermeiden.

Schutzmaßnahmen: Lithiumbatteriezellen, die auf eine Spannung von mehr als 4,2 V überladen werden, können Nebenwirkungen hervorrufen. Je höher die Überladespannung, desto höher das Risiko. Wenn die Batteriespannung höher als 4,2 V ist, beträgt die Anzahl der im Anodenmaterial verbleibenden Lithiumatome weniger als die Hälfte, und die Zelle kollabiert häufig, was zu einem dauerhaften Abfall der Batteriekapazität führt. Wenn Sie weiter aufladen, weil die Zelle der Anode bereits mit Lithiumatomen gefüllt ist, sammeln sich nachfolgende Lithiummetalle auf der Oberfläche der Anode an. Diese Lithiumatome bilden Dendritenkristalle von der negativen Oberfläche in Richtung der Lithiumionen. Diese Lithiummetallkristalle passieren das Membranpapier und führen zu einem Kurzschluss der positiven und negativen Pole. Manchmal explodiert die Batterie, bevor der Kurzschluss auftritt. Dies liegt daran, dass beim Überladevorgang der Elektrolyt und andere Materialien reißen und Gas produzieren, wodurch sich das Batteriegehäuse oder das Druckventil ausbaucht und reißt und der Sauerstoff eindringt und mit den auf der negativen Elektrodenoberfläche angesammelten Lithiumatomen reagiert. und dann explodieren.

Daher muss beim Laden einer Lithiumbatterie die Obergrenze der Spannung eingestellt werden, damit die Lebensdauer, Kapazität und Sicherheit der Batterie gleichzeitig berücksichtigt werden können. Die optimale Obergrenze der Ladespannung liegt bei 4,2 V. Die Lithiumzellenentladung muss auch die Spannungsuntergrenze haben. Wenn die Zellenspannung unter 2,4 V liegt, beginnt ein Teil des Materials zusammenzubrechen. Da sich der Akku selbst entlädt, ist die Spannung umso niedriger, je länger die Entladung ist. Daher ist es besser, keine 2,4 V zu setzen, um die Entladung zu stoppen. Zwischen 3,0 V und 2,4 V setzen Lithiumbatterien nur etwa 3% ihrer Kapazität frei. Daher ist 3,0 V eine ideale Abschaltspannung für die Entladung. Neben der Spannungsbegrenzung ist auch beim Laden und Entladen eine Strombegrenzung erforderlich. Wenn der Strom zu hoch ist, können sich die Lithiumionen auf der Oberfläche des Materials ansammeln, bevor sie Zeit haben, in die Zelle einzutreten. Wenn diese Ionen Elektronen gewinnen, erzeugen sie Kristalle von Lithiumatomen auf der Materialoberfläche, die wie eine Überladung gefährlich sein können. Wenn das Batteriefach kaputt geht, explodiert es.

Daher sollte der Schutz von lithium-ionen-batterien mindestens drei Punkte umfassen: Obergrenze der Ladespannung, Untergrenze der Entladespannung und Obergrenze des Stroms. Im Allgemeinen wird beim Lithium-Batteriepack zusätzlich zum Lithium-Batteriekern eine Schutzplatte angebracht. Diese Schutzplatte dient hauptsächlich dazu, diese drei Schutzvorrichtungen bereitzustellen. Der Schutz der drei Schutzplatten reicht jedoch offensichtlich nicht aus; Die Explosion von Lithiumbatterien ist weltweit immer noch häufig.

Um die Sicherheit des Batteriesystems zu gewährleisten, muss die Ursache der Batterieexplosion genauer analysiert werden.

Ii. Ursache der Batterieexplosion

1. Große interne Polarisation;

2. Das Elektrodenblatt absorbiert Wasser und reagiert mit dem Elektrolyten unter Bildung einer Gastrommel.

3. Qualität und Leistung des Elektrolyten selbst;

4. Während der Infusion entspricht das Infusionsvolumen nicht den Prozessanforderungen.

5. Schlechte Dichtleistung beim Laserschweißen im Installations- und Vorbereitungsprozess, Luftleckage.

6. Staub, der extrem dünne Staub kann zunächst leicht einen Mikrokurzschluss verursachen. der spezifische Grund ist unbekannt;

7. Die Anoden- und Kathodenplatten sind dicker als der Prozessbereich, was das Eindringen in die Hülle erschwert.

8. Das Dichtungsproblem der Flüssigkeitsinjektion und die schlechte Dichtleistung der Stahlkugel führen zur Gastrommel;

9. Das ankommende Material der Schale ist dick und die Verformung der Schale beeinflusst die Dicke.

Iii. Explosionsartenanalyse

Die Art der Zellexplosion kann als externer Kurzschluss, interner Kurzschluss und Überladung klassifiziert werden.

Der äußere Teil bezieht sich auf den äußeren Teil der Zelle, einschließlich des Kurzschlusses, der durch ein schlechtes Isolationsdesign im Batteriepack verursacht wird. Wenn ein Kurzschluss außerhalb der Zelle auftritt und die elektronischen Komponenten den Stromkreis nicht unterbrechen, wird in der Zelle hohe Wärme erzeugt, wodurch ein Teil des Elektrolyten verdampft und das Batteriegehäuse gedehnt wird. Wenn die Innentemperatur der Batterie bis zu 135 Grad Celsius beträgt, schließt das Membranpapier von guter Qualität die Pore, die elektrochemische Reaktion wird beendet oder fast beendet, der Strom fällt stark ab und die Temperatur fällt somit ebenfalls langsam ab Explosion vermeiden. Ein schlechter Porenverschluss oder ein Membranpapier ohne Porenverschluss führt jedoch dazu, dass die Batterietemperatur weiter ansteigt, wodurch mehr Elektrolyte verdampfen, das Batteriegehäuse schließlich platzt und sogar die Batterietemperatur so weit erhöht wird, dass das Material verbrennt und explodieren.

Der interne Kurzschluss wird hauptsächlich durch den Grat von Kupferfolie und Aluminiumfolie verursacht, der die Membran durchbohrt, oder durch den Dendritenkristall von Lithiumatomen, die die Membran durchbohren. Diese feinen, nadelartigen Metalle können einen Mikrokurzschluss verursachen. Da die Nadel sehr dünn ist und einen bestimmten Widerstandswert hat, ist der Strom nicht unbedingt sehr groß. Der Grat von Kupfer- und Aluminiumfolie wird im Produktionsprozess verursacht, und das beobachtbare Phänomen ist, dass die Batterieleckage zu schnell ist, was größtenteils von der Zellenfabrik oder der Montagefabrik herausgesiebt werden kann. Und weil die Grate klein sind, können sie manchmal durchbrennen, sodass die Batterie wieder normal wird. Daher ist die Explosionswahrscheinlichkeit aufgrund eines Gratkurzschlusses nicht hoch. Eine solche Aussage kann von der Zellenfabrik im Inneren oft bald aufgeladen werden, die Spannung an der defekten Batterie ist niedrig, aber es gibt nur wenige Explosionen, statistische Unterstützung. Daher wird die durch internen Kurzschluss verursachte Explosion hauptsächlich durch Überladung verursacht. Denn nach dem Überladen haben Sie überall auf der Platte nadelförmige Lithiumkristalle, überall Einstichpunkte und überall Mikrokurzschlüsse. Infolgedessen steigt die Batterietemperatur allmählich an und schließlich setzt die hohe Temperatur das Elektrolytgas frei. In diesem Fall ist das Ende der Explosion, ob die Temperatur zu hoch ist, um das Material zum Verbrennen und Explodieren zu bringen, oder ob die Hülle zuerst gebrochen wird, so dass die Luft eindringt und das Lithiummetall heftig oxidiert wird.

Die Explosion, die durch einen internen Kurzschluss verursacht wird, der durch Überladung verursacht wird, tritt jedoch nicht notwendigerweise zum Zeitpunkt des Ladens auf. Es ist möglich, dass Verbraucher ihre Telefone nicht mehr aufladen und herausnehmen, bevor der Akku heiß genug ist, um das Material zu verbrennen und genug Gas zu produzieren, um das Gehäuse des akkus zu platzen. Zu diesem Zeitpunkt erhöht die durch zahlreiche Mikrokurzschlüsse erzeugte Wärme langsam die Batterietemperatur, und nach einer gewissen Zeit tritt die Explosion auf. Die übliche Beschreibung von Verbrauchern ist, dass sie das Telefon abheben und es heiß finden, es wegwerfen und es explodiert.

Basierend auf den oben genannten Explosionstypen können wir uns auf die Verhinderung von Überladung, die Verhinderung von externen Kurzschlüssen und die Verbesserung der Sicherheit der Zelle konzentrieren. Unter diesen gehören Überlastschutz und externe Kurzschlussverhütung zum elektronischen Schutz, der eng mit dem Design des Batteriesystems und der Installation des Batteriepacks zusammenhängt. Der Schwerpunkt der Verbesserung der Zellsicherheit liegt auf dem chemischen und mechanischen Schutz, der eng mit den Zellherstellern verbunden ist.

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