Beschreiben Sie kurz die Schutzmaßnahmen und Explosionsursachen von Lithiumbatterien

Lithium-basierte Batterien sind das am schnellsten wachsende Batteriesystem in den letzten 20 Jahren und werden heute häufig in elektronischen Produkten verwendet. Die jüngste Explosion von Mobiltelefonen und Laptops ist im Wesentlichen eine Batterieexplosion. Was ist der Akku für Mobiltelefone und Laptops, wie funktioniert er, warum gibt es eine Explosion und wie kann eine Explosion vermieden werden?

Wenn die Lithiumbatteriezelle auf eine Spannung über 4,2 V überladen wird, treten Nebenwirkungen auf. Je höher die Überladespannung ist, desto höher ist das Risiko. Wenn die Lithiumbatteriespannung höher als 4,2 V ist, beträgt die Menge der im positiven Elektrodenmaterial verbleibenden Lithiumatome weniger als die Hälfte. Zu diesem Zeitpunkt kollabiert die Speicherzelle häufig, was zu einem dauerhaften Rückgang der Batteriekapazität führt. Wenn der Ladevorgang fortgesetzt wird, sammelt sich das nachfolgende Lithiummetall auf der Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials an, da die Zelle der negativen Elektrode bereits mit Lithiumatomen gefüllt ist. Diese Lithiumatome wachsen Dendriten von der Oberfläche der negativen Elektrode in Richtung der Lithiumionen. Diese Lithiummetallkristalle passieren das Separatorpapier und schließen die positiven und negativen Elektroden kurz. Manchmal explodiert die Batterie, bevor der Kurzschluss auftritt. Dies liegt daran, dass während des Überladevorgangs der Elektrolyt und andere Materialien reißen und Gas erzeugen, wodurch sich das Batteriegehäuse oder das Druckventil ausbaucht und reißt und Sauerstoff in die auf der Oberfläche der negativen Elektrode abgelagerten Lithiumatome eindringen und mit diesen reagieren kann. dann explodierte.

Daher können Lithiumbatterien, stellen Sie sicher, dass Sie die obere Spannungsgrenze einstellen, gleichzeitig die Lebensdauer, Kapazität und Sicherheit der Batterie beeinflussen. Die ideale maximale Ladespannung von 4,2 V. Die Entladespannung von Lithiumbatterien liegt unter der Untergrenze. Wenn die Zellenspannung unter 2,4 V liegt, werden einige Materialien zerstört. Und weil sich die Batterie selbst entlädt, je länger die Spannung niedrig ist, desto besser ist die Entladung, wenn sie besser nicht 2,4 V beträgt. Die Entladung der Lithiumbatterie von 3,0 V auf 2,4 V während dieses Zeitraums machte nur etwa die Energiefreisetzung aus 3% der Batteriekapazität. Daher ist eine ideale Entladungs-Abschaltspannung von 3,0 V erforderlich. Zusätzlich zur Grenze der Spannungs- und Stromgrenzen können auch Lade- und Entladungsgrenzen erforderlich sein. Wenn der Strom zu groß ist, sammeln sich Lithiumionen, um in den Speicher zu gelangen, in der Materialoberfläche.

Wenn diese Lithiumionen Elektronen aufnehmen, werden Kristalle von Lithiumatomen auf der Oberfläche des Materials erzeugt, was als Überladung gefährlich ist. Im Falle eines defekten Batteriegehäuses explodiert es. Daher muss der Schutz der Lithium-Ionen-Batterie mindestens drei Faktoren umfassen: die Obergrenze der Ladespannung, die Untergrenze der Entladespannung und die Obergrenze des Stroms. Im allgemeinen Lithiumbatteriepaket wird zusätzlich zum Lithiumbatteriekern eine Schutzplatine vorhanden sein, die hauptsächlich diese drei Schutzfunktionen bereitstellen soll. Diese drei Schutzmaßnahmen der Schutzplatine reichen jedoch offensichtlich nicht aus, und die weltweite Explosion von Lithiumbatterien ist immer noch häufig. Um die Sicherheit des Batteriesystems zu gewährleisten, muss eine genauere Analyse der Ursache der Batterieexplosion durchgeführt werden.

Explosionsgründe:

In 1 ist die interne Polarisation größer;

2, Wasseraufnahme, Reaktion mit der Elektrolytgastrommel;

3, Elektrolyt selbst Qualitäts- und Leistungsprobleme;

4, wenn die Flüssigkeitsinjektionsflüssigkeitsmenge die technischen Anforderungen nicht erfüllen kann;

In 5 ist der Vorbereitungsprozess der Laserschweißversiegelungsleistung schlecht, wenn die Leckage gemessen wird.

6, Staub, Staubblatt zuerst kann Mikrokurzschluss verursachen;

Fig. 7 ist ein Vorgang vom Kathodenfernrohr dick, hart in die Schale;

8, Füllstoffdichtungsproblem, Stahlkugeldichtungsleistung ist schlecht, um Gastrommel zu verursachen;

In 9 ist der ankommende Schalenwanddicke vorhanden, Schalenstärkeverformungseffekt;

In 10 ist die Außentemperatur die Hauptursache für die Explosion.

Der Explosionstyp

Explosionsartanalyse Der Batteriekerntyp kann als externer Kurzschluss, interner Kurzschluss und 3 Überladungsarten zusammengefasst werden. Das Äußere bezieht sich auf die Batterien des Äußeren, enthält ein Batteriepack und ein schlechtes internes Isolationsdesign, das durch Kurzschluss verursacht wird. Wenn externe Batterien, elektronische Komponenten kurzgeschlossen werden und der Stromkreis nicht unterbrochen werden kann, erzeugen die Batterien im Inneren Wärme, die einen Teil der Elektrolytverdampfung verursacht, die Batteriegehäuseunterstützung. Wenn die Innentemperatur der Batterie auf 135 Grad Celsius steigt, Papier von guter Qualität, Membran schließt Poren, elektrochemische Reaktion beendet oder nahe am Ende, Strom, Temperatur sinkt langsam, dann vermeiden Sie die Explosion. Die Porenschlussrate ist jedoch schlecht, oder die Poren schließen das Membranpapier nicht, können die Batterietemperatur weiter ansteigen lassen, die Elektrolytverdampfung verstärken, schließlich das Batteriegehäuse platzen lassen und sogar die Batterietemperatur erhöhen, um Materialverbrennung und Explosion zu verursachen. Der interne Kurzschluss wird hauptsächlich durch die Grate der Kupferfolie und der Aluminiumfolie verursacht, die die Membran durchdringen, oder durch den Dendriten von Lithiumatomen, die den Rutheniumfilm durchbohren.

Diese winzigen nadelartigen Metalle können Mikrokurzschlüsse verursachen. Da die Nadel sehr dünn ist und einen bestimmten Widerstandswert hat, ist der Strom nicht unbedingt groß. Kupfer- und Aluminiumfoliengrate werden durch den Produktionsprozess verursacht. Das beobachtbare Phänomen ist, dass die Batterie zu schnell leckt und die meisten von ihnen von der Batteriefabrik oder dem Montagewerk überprüft werden können. Und weil die Grate klein sind, werden sie manchmal weggeblasen, wodurch die Batterie wieder normal wird. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Explosion, die durch einen Grat-Mikrokurzschluss verursacht wird, nicht hoch. Auf diese Weise ist es möglich, kurz nach dem Laden in jeder Batteriefabrik eine schlechte Batterie mit einer niedrigen Spannung zu erhalten, aber es gibt nur wenige Explosionsereignisse und statistische Unterstützung. Daher interner Kurzschluss durch die Explosion verursacht, vor allem wegen der Überladung. Denn nachdem sich die Füllung überall auf dem Polstück der Nadel-Lithium-Metall-Kristallisation befindet, ist der Pierce-Punkt im Falle eines Mikrokurzschlusses überall und überall. Infolgedessen steigt die Batterietemperatur allmählich an und schließlich das Hochtemperaturelektrolytgas. Diese Art von Situation, ob Hochtemperaturmaterialien, die eine Explosion verbrennen, oder die Hülle, die Luft im Inneren mit Lithiumoxid, ist explosiv.

Eine solche 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, wenn die Batterietemperatur nicht hoch genug ist, um das Material zu verbrennen, und das erzeugte Gas nicht ausreicht, um das Batteriegehäuse zu zerbrechen. Der Verbraucher beendet den Ladevorgang und nimmt das Mobiltelefon heraus. Zu diesem Zeitpunkt erhöht die durch die zahlreichen Mikrokurzschlüsse erzeugte Wärme langsam die Temperatur der Batterie, und nach einer gewissen Zeit tritt die Explosion auf. Die allgemeine Beschreibung von Verbrauchern lautet, dass das Telefon beim Abheben als sehr heiß eingestuft wird und nach dem Wegwerfen explodiert. In Kombination mit den oben genannten Explosionsarten können wir uns auf die Verhinderung von Überladung, die Verhinderung externer Kurzschlüsse und die Sicherheit von Batteriezellen konzentrieren. Unter anderem sind Überlastschutz und externe Kurzschlussverhütung ein elektronischer Schutz, der in hohem Maße mit dem Design des Batteriesystems und der Batteriemontage zusammenhängt. Der Schwerpunkt der Verbesserung der Batteriesicherheit liegt auf dem chemischen und mechanischen Schutz, der in enger Beziehung zu den Anlagen zur Herstellung von Batterien steht.

Sichere versteckte Probleme

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hängt nicht nur von der Art des Zellmaterials selbst ab, sondern auch von der Technologie und Verwendung der Batterievorbereitung. Handybatterien explodieren einerseits häufig aufgrund des Ausfalls der Schutzschaltung, aber was noch wichtiger ist, es gibt keine grundlegende Lösung für das Materialproblem.

Das aktive Material der Kobaltsäurelithiumkathode ist ein sehr ausgereiftes System in kleinen Batterien, aber nach einer vollständigen Ladung befinden sich immer noch viele Lithiumionen an der Anode, wenn erwartet wird, dass eine Überladung, die in der Anode des Lithiumions verbleibt, zur Anode strömt wird auf der Kathode gebildet Dendrit verwendet Cobalt-Säure-lithium-batterie Überladung Folge, auch im normalen Lade- und Entladevorgang, ist wahrscheinlich auch Ersatz Lithium-Ionen-Kathode-Dendritenbildung, Cobalt-Säure-Lithium-Materialien als die Energietheorie ist mehr als 270MAH / g, aber um die Zyklusleistung zu gewährleisten, beträgt die tatsächliche Nutzungskapazität nur die Hälfte der theoretischen Kapazität. Während des Verwendungsprozesses tritt aus irgendeinem Grund, beispielsweise wenn der durch die Batteriespannung verursachte Schaden des Managementsystems zu hoch ist, der verbleibende Teil des Lithiums der positiven Elektrode aus, der Elektrolyt zur negativen Elektrodenoberfläche in Form einer metallischen Lithiumdendritenablagerungsbildung. Dendriten durchbohrte Membranen bilden den internen Kurzschluss.

Die Hauptkomponente des Elektrolyten ist Carbonat, das einen niedrigen Flammpunkt und einen niedrigen Siedepunkt aufweist. Es wird unter bestimmten Bedingungen brennen oder sogar explodieren. Wenn die Batterie überhitzt ist, wird das Carbonat im Elektrolyten oxidiert und reduziert, wodurch eine große Menge Gas und mehr Wärme erzeugt wird. Wenn das Sicherheitsventil oder Gas nicht ausreicht, um durch das Sicherheitsventil freigesetzt zu werden, steigt der Innendruck der Batterie stark an und verursacht eine Explosion.

Polymerelektrolyt für Lithiumionenbatterien hat das Sicherheitsproblem nicht grundlegend gelöst, verwendet auch Lithiumkobaltsäure und organischen Elektrolyten, und Elektrolyt als Gel, nicht leicht zu lecken, wird heftiger verbrannt, die Verbrennung ist das größte Sicherheitsproblem für Polymer Batterien.

Es gibt auch einige Probleme bei der Verwendung von Aspekten, Batterie in externem Kurzschluss oder internem Kurzschluss erzeugt Hunderte von Ampere großen Stroms. Externer Kurzschluss sofortiger Hochstrom entlädt die Batterie, verbraucht viel Energie für den Innenwiderstand, erzeugt eine enorme Wärmemenge. Ein interner Kurzschluss mit großem Strom und ein Anstieg der Schmelztemperatur führen zur Membran, der Kurzschlussbereich dehnt sich aus und bildet einen Teufelskreis.

Lithium-Ionen-Batterien, um Einzelbatterien nur 3 ~ 4,2 V hohe Arbeitsspannung zu erreichen, müssen verwendet werden, um organische Elektrolyt Spannung zu zersetzen, die größer als 2 V ist, und verwenden organische Elektrolyt unter der Bedingung von Hochstrom, hohe Temperatur wird Elektrolyse, elektrolytisch produzieren Gas , führen zu höherem Innendruck, ernsthaft wird die Schale brechen.

Überladung Lithium kann im Falle eines Schalenbruchs, direkten Kontakts mit Luft und Verbrennung, gleichzeitig Zündelektrolyt, starkem Feuer, schneller Gasausdehnung, Explosion verursachen.

Lithium-Ionen-Batterien für Mobiltelefone und darüber hinaus aufgrund unsachgemäßer Verwendung wie Extrusion, Einströmen von Stößen zu Zellausdehnung, Verformung und Rissbildung usw. können zu Kurzschlussbatterien, einer Explosion durch Erwärmung in der Entladung oder Ladevorgang.

Die Sicherheit der Lithiumbatterie:

Um ein Überentladen oder Überladen des Akkus aufgrund unsachgemäßer Verwendung zu vermeiden, ist in dem Einzelzellen-lithium-ionen-akku ein dreifacher Schutzmechanismus vorgesehen. Zunächst wird das Schaltelement verwendet. Wenn die Temperatur im Inneren der Batterie steigt, steigt ihr Widerstandswert. Wenn die Temperatur zu hoch ist, wird die Stromversorgung automatisch gestoppt. Zweitens wird das geeignete Separatormaterial ausgewählt. Wenn die Temperatur auf einen bestimmten Wert ansteigt, werden die Mikroporen in Mikrometergröße am Separator automatisch aufgelöst, so dass die Lithiumionen nicht passieren und die interne Reaktion der Batterie stoppt. Das dritte ist das Einstellen des Sicherheitsventils (dh der Entlüftungsöffnung oben an der Batterie), der Batterieinnendruck steigt auf einen bestimmten Wert an, das Ventil öffnet automatisch, um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten.

Manchmal steigt die Batterie selbst, obwohl es Sicherheitskontrollmaßnahmen gibt, aber aus irgendeinem Grund einen Steuerungsfehler verursacht. Das Fehlen eines Überdruckventils oder Gases durch das Überdruckventil zum Ablassen des Batterieinnendrucks steigt aufgrund der Explosion stark an. Im Allgemeinen ist die Gesamtenergie des Lithium-Ionen-Batteriespeichers und seine Sicherheit umgekehrt proportional dazu, dass mit zunehmender Batteriekapazität das Batterievolumen zunimmt und seine Wärmeleistung schlecht ist. Die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls wird dramatisch zunehmen. Mit Lithium-Ionen-Batterien für Mobiltelefone und der Wahrscheinlichkeit von Sicherheitsunfällen sind die Grundvoraussetzungen für weniger als eine über eine Million, dies ist auch die soziale Öffentlichkeit kann den niedrigsten Standard akzeptieren. Für die Lithium-Ionen-Batterie mit großer Kapazität, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien mit großer Kapazität wie Autos, ist die erzwungene Kühlung besonders wichtig.

Sichereres Elektrodenmaterial, Auswahl von Mangansäurelithiummaterialien, hinsichtlich der Molekülstruktur, um den vollen Ladungszustand sicherzustellen, die Anode des Lithiumions wurde vollständig in das Kathodenkohlenstoffloch eingebettet, vermeidet grundsätzlich die Bildung von Dendriten. Mangansäurelithium feste Struktur zur gleichen Zeit machen seine Leistung viel niedriger als Kobaltsäurelithiumoxid, Zersetzungstemperatur über 100 ° C , Kobaltsäurelithium auch aufgrund äußerer Kraft, interner Kurzschluss (Akupunktur), externer Kurzschluss, Überladung kann auch die Verbrennungs- und Explosionsgefahr durch Ausfällung von Metalllithium vollständig vermeiden.

Darüber hinaus können mit Mangansäure Lithiummaterialien die Kosten erheblich senken.

Um die Leistung der vorhandenen Sicherheitssteuerungstechnologie zu verbessern, müssen wir zunächst die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batteriezellen verbessern, was besonders für Batterien mit großer Kapazität wichtig ist. Membran wählen heiß schließen gute Leistung, die Funktion der Membran ist Batterie ist negativ zur gleichen Zeit, die Isolierung von Lithium-Ionen wird passieren lassen. Wenn die Temperatur steigt, wird sie geschlossen, bevor die Membran schmilzt, so dass der Innenwiderstand auf 2000 Ohm steigt. Lassen Sie die interne Antwort es stoppen. Wenn der Innendruck oder die Innentemperatur die voreingestellten Kriterien erreicht, öffnet sich das explosionsgeschützte Ventil und beginnt mit dem Entladen. Um zu verhindern, dass die interne Gasansammlung zu stark ist, führt eine Verformung schließlich zum Platzen der Hülle. Verbessern Sie die Steuerempfindlichkeit und die Auswahl empfindlicherer Steuerparameter, die durch eine Kombination mehrerer Parameter gesteuert werden (dies war besonders wichtig für Akkus mit großer Kapazität). Für lithium-ionen-akkus mit großer Kapazität besteht der Akku aus mehreren Serien- / Parallelbatterien, z Laptop für mehr als 10 V Spannung, große Kapazität, in der Regel verwenden 3 ~ 4 Einzelbatterie Serie kann die Anforderungen der Spannung erfüllen, und wird dann 2 ~ 3 Serie Akku parallel sein, um sicherzustellen, die größere Kapazität.

Der Akku mit großer Kapazität selbst muss eine relativ vollständige Schutzfunktion haben. Zwei Leiterplattenmodule sollten ebenfalls berücksichtigt werden: das ProtecTIonBoardPCB-Modul (Protect Circuit Board) und das Smart Battery Gauge Board-Modul. Das komplette Batterieschutzdesign umfasst: Schutz-IC der Stufe 1 (um ein Überladen der Batterie, Überentladung, Kurzschluss zu verhindern), Schutz-IC der Stufe 2 (um die zweite Überspannung zu verhindern), Sicherungen, LED-Anzeigen, Temperatureinstellung und andere Komponenten. Unter dem mehrstufigen Schutzmechanismus kann der Laptop-Akku auch bei abnormalen Ladegeräten und Laptops nur in den automatischen Schutzzustand geschaltet werden. Wenn die Situation nicht ernst ist, funktioniert sie nach dem erneuten Einstecken weiterhin normal. Eine Explosion wird auftreten.

Die zugrunde liegende Technologie für Lithium-Ionen-Batterien in Laptops und Mobiltelefonen ist unsicher und erfordert eine sicherere Struktur.

Kurz gesagt, mit der Weiterentwicklung der Materialtechnologie und dem wachsenden Verständnis der Anforderungen für die Entwicklung, Herstellung, Prüfung und Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien werden zukünftige Lithium-Ionen-Batterien sicherer.

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