Litiumparistot ovat nopeimmin kasvava akkujärjestelmä viimeisten 20 vuoden aikana, ja niitä käytetään laajalti elektroniikkatuotteissa.Äskettäinen matkapuhelinten ja kannettavien tietokoneiden räjähdys on pohjimmiltaan akun räjähdys.Miltä matkapuhelimen ja kannettavan tietokoneen akut näyttävät, miten ne toimivat, miksi ne räjähtävät ja miten niitä vältetään.
Sivuvaikutuksia alkaa ilmetä, kun litiumkenno ylivarataan yli 4,2 V:n jännitteeseen.Mitä korkeampi ylilatauspaine, sitä suurempi riski.Yli 4,2 V:n jännitteillä, kun katodimateriaalissa on jäljellä alle puolet litiumatomeista, varastokenno usein romahtaa, mikä aiheuttaa pysyvän akun kapasiteetin laskun.Jos varaus jatkuu, seuraavat litiummetallit kasaantuvat katodimateriaalin pinnalle, koska katodin varastokenno on jo täynnä litiumatomeja.Nämä litiumatomit kasvattavat dendriittikiteitä katodin pinnalta litiumionien suuntaan.Litiumkiteet kulkevat kalvopaperin läpi ja oikosulkevat anodin ja katodin.Joskus akku räjähtää ennen oikosulkua.Tämä johtuu siitä, että ylilatausprosessin aikana materiaalit, kuten elektrolyytit, halkeilevat tuottaen kaasua, joka saa akun kotelon tai paineventtiilin turpoamaan ja räjähtämään, jolloin happi reagoi negatiivisen elektrodin pinnalle kerääntyneiden litiumatomien kanssa ja räjähtää.
Siksi litiumakkua ladattaessa on tarpeen asettaa jännitteen yläraja akun käyttöiän, kapasiteetin ja turvallisuuden huomioon ottamiseksi.Ihanteellinen latausjännitteen yläraja on 4,2 V.Myös litiumkennojen purkautuessa jänniterajan tulee olla alempi.Kun kennojännite laskee alle 2,4 V, osa materiaalista alkaa hajota.Ja koska akku purkautuu itsestään, aseta pidempään jännite on alhaisempi, siksi on parasta olla purkamatta 2,4 V pysäyttääksesi.3,0 V - 2,4 V litiumparistot vapauttavat vain noin 3 % kapasiteetistaan.Siksi 3,0 V on ihanteellinen purkauksen katkaisujännite.Ladattaessa ja purettaessa tarvitaan jänniterajan lisäksi myös virtaraja.Kun virta on liian korkea, litiumioneilla ei ole aikaa päästä varastokennoon, ne kerääntyvät materiaalin pinnalle.
Kun nämä ionit saavat elektroneja, ne kiteyttävät litiumatomeja materiaalin pinnalle, mikä voi olla yhtä vaarallista kuin ylivarautuminen.Jos akkukotelo rikkoutuu, se räjähtää.Siksi litiumioniakun suojauksen tulisi sisältää ainakin latausjännitteen yläraja, purkausjännitteen alaraja ja virran yläraja.Yleensä litiumakun ytimen lisäksi on suojalevy, jonka tarkoituksena on pääasiassa tarjota nämä kolme suojaa.Kuitenkin suojalevy näiden kolmen suojan ei tietenkään riitä, maailmanlaajuisen litiumakun räjähdystapahtumia tai usein.Akkujärjestelmien turvallisuuden varmistamiseksi akkujen räjähdysten syyt on analysoitava tarkemmin.
Räjähdyksen syy:
1. Suuri sisäinen polarisaatio;
2. Napakappale imee vettä ja reagoi elektrolyyttikaasurummun kanssa;
3. Itse elektrolyytin laatu ja suorituskyky;
4. Nesteen ruiskutusmäärä ei täytä prosessin vaatimuksia;
5. Laserhitsaustiivisteen suorituskyky on huono valmisteluprosessissa, ja ilmavuoto havaitaan.
6. Pöly ja napa-osa pöly on helppo aiheuttaa mikrooikosulun ensin;
7.Positiivinen ja negatiivinen levy paksumpi kuin prosessialue, vaikea kuori;
8. Nesteen ruiskutuksen tiivistysongelma, teräspallon huono tiivistyskyky johtaa kaasurumpuun;
9.Shell tuleva materiaali kuoren seinämä on liian paksu, kuoren muodonmuutos vaikuttaa paksuuteen;
10. Korkea ulkolämpötila on myös räjähdyksen pääasiallinen syy.
Räjähdystyyppi
Räjähdystyypin analyysi Akun ytimen räjähdystyypit voidaan luokitella ulkoiseen oikosulkuun, sisäiseen oikosulkuun ja ylilataukseen.Ulkoinen viittaa tässä kennon ulkopintaan, mukaan lukien sisäisen akun huonosta eristyssuunnittelusta johtuva oikosulku.Kun kennon ulkopuolella tapahtuu oikosulku ja elektroniset komponentit eivät katkaise silmukkaa, kenno kehittää korkeaa lämpöä sisällä, jolloin osa elektrolyytistä, akun kuori, höyrystyy.Kun akun sisälämpötila on korkea 135 celsiusasteeseen, hyvälaatuinen kalvopaperi sulkee hienon reiän, sähkökemiallinen reaktio päättyy tai melkein päättyy, virta laskee ja lämpötila laskee myös hitaasti, mikä välttää räjähdyksen .Mutta kalvopaperi, jonka sulkeutumisnopeus on huono tai joka ei sulkeudu ollenkaan, pitää akun lämpimänä, höyrystää enemmän elektrolyyttiä ja lopulta rikkoo akun kotelon tai jopa nostaa akun lämpötilan pisteeseen, jossa materiaali palaa. ja räjähtää.Sisäinen oikosulku johtuu pääasiassa kalvon lävistävästä kuparikalvon ja alumiinifolion purseesta tai kalvon lävistävästä litiumatomien dendriittikiteistä.
Nämä pienet, neulamaiset metallit voivat aiheuttaa mikrooikosulkuja.Koska neula on erittäin ohut ja sillä on tietty vastusarvo, virta ei välttämättä ole kovin suuri.Kuparialumiinifolion purseet syntyvät valmistusprosessissa.Havaittu ilmiö on, että akku vuotaa liian nopeasti, ja useimmat niistä voidaan seuloa kennotehtaissa tai kokoonpanotehtaissa.Ja koska purseet ovat pieniä, ne joskus palavat pois, jolloin akku palautuu normaaliksi.Siksi purseen mikrooikosulun aiheuttaman räjähdyksen todennäköisyys ei ole suuri.Tällainen näkemys, voi usein ladata sisältä kunkin solun tehdas, jännite alhainen huono akku, mutta harvoin räjähdys, saada tilastollista tukea.Siksi sisäisen oikosulun aiheuttama räjähdys johtuu pääasiassa ylilatauksesta.Koska ylivaratussa takaelektrodilevyssä on kaikkialla neulamaisia litiummetallikiteitä, puhkaisukohtia on kaikkialla ja mikrooikosulkua esiintyy kaikkialla.Siksi kennon lämpötila nousee vähitellen ja lopulta korkea lämpötila elektrolyyttikaasua.Tämä tilanne, onko lämpötila liian korkea, jotta materiaali palaminen räjähdys, tai kuori oli ensin rikki, niin että ilma ja litiummetalli kovaa hapettumista, ovat lopussa räjähdyksen.
Mutta tällainen räjähdys, joka johtuu ylilatauksen aiheuttamasta sisäisestä oikosulusta, ei välttämättä tapahdu latauksen aikana.On mahdollista, että kuluttajat lopettavat lataamisen ja ottavat puhelimensa pois ennen kuin akku on tarpeeksi kuuma polttaakseen materiaaleja ja tuottaakseen tarpeeksi kaasua akun kotelon rikkomiseksi.Lukuisten oikosulkujen synnyttämä lämpö lämmittää akkua hitaasti ja jonkin ajan kuluttua räjähtää.Yleisin kuvaus kuluttajista on, että he ottivat puhelimen käteensä ja huomasivat sen olevan erittäin kuuma, sitten heittivät sen pois ja räjähtivät.Yllä olevien räjähdystyyppien perusteella voimme keskittyä ylilatauksen estämiseen, ulkoisen oikosulun estämiseen ja kennon turvallisuuden parantamiseen.Niistä ylilatauksen ja ulkoisen oikosulun estäminen kuuluu elektroniseen suojaukseen, joka liittyy suuresti akkujärjestelmän ja akun suunnitteluun.Kennoturvallisuuden parantamisen avainkohta on kemiallinen ja mekaaninen suojaus, jolla on hyvät suhteet kennovalmistajien kanssa.
Turvallinen piilotettu ongelma
Litiumioniakun turvallisuus ei liity pelkästään kennomateriaalin luonteeseen, vaan liittyy myös akun valmistustekniikkaan ja käyttöön.Matkapuhelinten akut räjähtävät usein toisaalta suojapiirin vian vuoksi, mutta mikä tärkeintä, materiaalinen puoli ei ole ratkaisenut ongelmaa pohjimmiltaan.
Kobolttihapon litiumkatodiaktiivinen materiaali on erittäin kypsä järjestelmä pienissä akuissa, mutta täyden latauksen jälkeen anodilla on edelleen paljon litiumioneja, ja ylilatauksen aikana litiumionien anodissa jääneiden odotetaan kerääntyvän anodille. , muodostuu katodille dendriitti käyttää kobolttihappoa litiumakku ylilatauksen seuraus, jopa normaalissa lataus- ja purkausprosessissa, Negatiiviseen elektrodiin voi myös olla ylimääräisiä litiumioneja, jotka muodostavat dendriittejä.Litiumkobalaattimateriaalin teoreettinen ominaisenergia on yli 270 mah/g, mutta todellinen kapasiteetti on vain puolet teoreettisesta kapasiteetista sen pyöräilysuorituskyvyn varmistamiseksi.Käytön aikana, jostain syystä (kuten hallintajärjestelmän vaurioitumisesta) ja akun latausjännitteen ollessa liian korkea, positiivisessa elektrodissa jäljellä oleva litiumin osa poistuu elektrolyytin kautta negatiivisen elektrodin pintaan. litiummetallin kerrostumisen muoto dendriittien muodostamiseksi.Dendriitit Lävistävät kalvon aiheuttaen sisäisen oikosulun.
Elektrolyytin pääkomponentti on karbonaatti, jolla on alhainen leimahduspiste ja alhainen kiehumispiste.Se palaa tai jopa räjähtää tietyissä olosuhteissa.Jos akku ylikuumenee, se johtaa elektrolyytissä olevan karbonaatin hapettumiseen ja pelkistymiseen, mikä johtaa paljon kaasua ja enemmän lämpöä.Jos varoventtiiliä ei ole tai kaasua ei vapaudu varoventtiilin kautta, akun sisäinen paine nousee jyrkästi ja aiheuttaa räjähdyksen.
Polymeerielektrolyyttilitiumioniakku ei pohjimmiltaan ratkaise turvallisuusongelmaa, käytetään myös litiumkobolttihappoa ja orgaanista elektrolyyttiä, ja elektrolyytti on kolloidista, ei ole helppo vuotaa, tapahtuu rajumpaa palamista, palaminen on polymeeriakun turvallisuuden suurin ongelma.
Myös akun käytössä on ongelmia.Ulkoinen tai sisäinen oikosulku voi tuottaa muutaman sadan ampeerin ylivirtaa.Kun ulkoinen oikosulku tapahtuu, akku purkaa välittömästi suuren virran, joka kuluttaa suuren määrän energiaa ja tuottaa valtavaa lämpöä sisäiseen vastukseen.Sisäinen oikosulku muodostaa suuren virran ja lämpötila nousee, jolloin kalvo sulaa ja oikosulkualue laajenee, mikä muodostaa noidankehän.
Litiumioniakku saavuttaakseen yhden solun 3 ~ 4.2V korkea käyttöjännite, on otettava hajoaminen jännite on suurempi kuin 2V orgaaninen elektrolyytti, ja käyttö orgaanista elektrolyyttiä korkean virran, korkean lämpötilan olosuhteissa on elektrolysoitu, elektrolyyttinen kaasu, mikä lisää sisäistä painetta, murtautuu vakavasti kuoren läpi.
Ylilataus voi saostaa litiummetallia, jos kuori murtuu, suora kosketus ilman kanssa johtaa palamiseen, samalla sytyttää elektrolyytit, voimakas liekki, kaasun nopea laajeneminen, räjähdys.
Lisäksi matkapuhelimen litiumioniakku, joka johtuu virheellisestä käytöstä, kuten suulakepuristaminen, isku ja vedenotto, johtavat akun laajenemiseen, muodonmuutokseen ja halkeamiseen jne., mikä johtaa akun oikosulkuun purkautumis- tai latausprosessissa. lämpöräjähdyksen vaikutuksesta.
Litiumakkujen turvallisuus:
Yksittäiseen litiumioniakkuun on asetettu kolminkertainen suojausmekanismi, jotta vältetään ylipurkautuminen tai virheellisen käytön aiheuttama ylilataus.Yksi on kytkinelementtien käyttö, kun akun lämpötila nousee, sen vastus nousee, kun lämpötila on liian korkea, katkaisee automaattisesti virransyötön;Toinen on valita sopiva väliseinämateriaali, kun lämpötila nousee tiettyyn arvoon, osion mikronihuokoset liukenevat automaattisesti, joten litiumionit eivät pääse kulkemaan, akun sisäinen reaktio pysähtyy;Kolmas on varoventtiilin (eli akun päällä olevan tuuletusaukon) asentaminen.Kun akun sisäinen paine nousee tiettyyn arvoon, varoventtiili avautuu automaattisesti varmistaakseen akun turvallisuuden.
Joskus, vaikka akussa itsessään on turvavalvontatoimenpiteitä, mutta joidenkin säätöhäiriön aiheuttamien syiden vuoksi varoventtiilin tai kaasun puutteella ei ole aikaa vapautua varoventtiilin läpi, akun sisäinen paine nousee jyrkästi ja aiheuttaa räjähdys.Yleensä litiumioniakkuihin varastoitunut kokonaisenergia on kääntäen verrannollinen niiden turvallisuuteen.Akun kapasiteetin kasvaessa myös akun tilavuus kasvaa ja sen lämmönpoistokyky heikkenee ja onnettomuuksien mahdollisuus kasvaa huomattavasti.Matkapuhelimissa käytettävien litiumioniakkujen perusvaatimuksena on, että turvallisuusonnettomuuksien todennäköisyys on pienempi kuin yksi miljoonasta, mikä on myös yleisölle hyväksyttävä vähimmäisstandardi.Suurikapasiteettisissa litiumioniakuissa, erityisesti autoissa, on erittäin tärkeää käyttää pakotettua lämmönpoistoa.
Turvallisempien elektrodimateriaalien, litiummangaanioksidimateriaalin, valinta molekyylirakenteen suhteen sen varmistamiseksi, että positiivisen elektrodin litiumionit ovat täysin latautuneet kokonaan negatiiviseen hiilireikään, välttää pohjimmiltaan dendriittien muodostumisen.Samanaikaisesti litiummangaanihapon vakaa rakenne, joten sen hapetuskyky on paljon alhaisempi kuin litiumkobolttihappo, litiumkobolttihapon hajoamislämpötila yli 100 ℃, jopa ulkoisen ulkoisen oikosulun (neulauksen) vuoksi. oikosulku, ylilataus, voi myös täysin välttää saostuneen litiummetallin aiheuttaman palamis- ja räjähdysvaaran.
Lisäksi litiummanganaattimateriaalin käyttö voi myös vähentää kustannuksia huomattavasti.
Parantaaksemme nykyisen turvaohjaustekniikan suorituskykyä meidän on ensin parannettava litiumioniakun ytimen turvallisuutta, mikä on erityisen tärkeää suurikapasiteettisille akuille.Valitse kalvo, jolla on hyvä lämpösulkeutumiskyky.Kalvon tehtävänä on eristää akun positiiviset ja negatiiviset navat samalla kun sallitaan litiumionien läpikulku.Lämpötilan noustessa kalvo suljetaan ennen kuin se sulaa, mikä nostaa sisäisen resistanssin 2000 ohmiin ja sulkee sisäisen reaktion.Kun sisäinen paine tai lämpötila saavuttaa esiasetetun standardin, räjähdyssuojattu venttiili avautuu ja alkaa vapauttaa painetta estääkseen sisäisen kaasun liiallisen kerääntymisen, muodonmuutoksen ja lopulta johtamisen kuoren halkeamiseen.Paranna ohjausherkkyyttä, valitse herkempiä ohjausparametreja ja ota käyttöön useiden parametrien yhdistetty ohjaus (mikä on erityisen tärkeää suurikapasiteettisille akuille).Suuren kapasiteetin litiumioniakkupakkaus on sarja / rinnakkainen usean solun koostumus, kuten kannettavan tietokoneen jännite on yli 10 V, suuri kapasiteetti, yleensä käyttämällä 3–4 yksittäistä akkusarjaa voidaan täyttää jännitevaatimukset, ja sitten 2–3 sarjaa akkupaketti rinnakkain suuren kapasiteetin varmistamiseksi.
Itse suuren kapasiteetin akkupakkaus on varustettava suhteellisen täydellisellä suojaustoiminnolla, ja myös kahdenlaisia piirilevymoduuleja kannattaa harkita: ProtecTIonBoardPCB-moduuli ja SmartBatteryGaugeBoard-moduuli.Koko akun suojausrakenne sisältää: tason 1 suojaus-IC (estää akun ylilatauksen, ylipurkautumisen, oikosulku), tason 2 suojaus-IC (estää toisen ylijännitteen), sulakkeen, LED-ilmaisimen, lämpötilan säädön ja muut komponentit.Monitasoisen suojausmekanismin alaisuudessa kannettavan tietokoneen akku voidaan kytkeä vain automaattiseen suojaustilaan, vaikka laturin ja kannettavan tietokoneen virta on epänormaali.Jos tilanne ei ole vakava, se toimii usein normaalisti, kun se on kytketty ja irrotettu ilman räjähdystä.
Kannettavissa tietokoneissa ja matkapuhelimissa käytettyjen litiumioniakkujen taustalla oleva tekniikka on vaarallista, ja turvallisempia rakenteita on harkittava.
Yhteenvetona voidaan todeta, että materiaalitekniikan edistyessä ja ihmisten ymmärryksen syveneessä litiumioniakkujen suunnittelun, valmistuksen, testauksen ja käytön vaatimuksista litiumioniakkujen tulevaisuus muuttuu turvallisemmaksi.
Postitusaika: 07.03.2022