Las baterías de litio son el sistema de baterías de más rápido crecimiento en los últimos 20 años y se utilizan ampliamente en productos electrónicos.La reciente explosión de teléfonos móviles y portátiles es esencialmente una explosión de baterías.Cómo son las baterías de móviles y portátiles, cómo funcionan, por qué explotan y cómo evitarlas.
Los efectos secundarios comienzan a ocurrir cuando la celda de litio se sobrecarga a un voltaje superior a 4,2 V.Cuanto mayor sea la presión de sobrecarga, mayor será el riesgo.A voltajes superiores a 4,2 V, cuando quedan menos de la mitad de los átomos de litio en el material del cátodo, la celda de almacenamiento a menudo colapsa, provocando una disminución permanente en la capacidad de la batería.Si la carga continúa, los metales de litio posteriores se acumularán en la superficie del material del cátodo, ya que la celda de almacenamiento del cátodo ya está llena de átomos de litio.Estos átomos de litio forman cristales dendríticos desde la superficie del cátodo en la dirección de los iones de litio.Los cristales de litio atravesarán el papel del diafragma, provocando un cortocircuito en el ánodo y el cátodo.A veces la batería explota antes de que se produzca un cortocircuito.Esto se debe a que durante el proceso de sobrecarga, materiales como los electrolitos se agrietan para producir gas que hace que la carcasa de la batería o la válvula de presión se hinchen y exploten, permitiendo que el oxígeno reaccione con los átomos de litio acumulados en la superficie del electrodo negativo y explote.
Por lo tanto, cuando se carga una batería de litio, es necesario establecer el límite superior de voltaje para tener en cuenta la vida útil, la capacidad y la seguridad de la batería.El límite superior de voltaje de carga ideal es 4,2 V.También debería haber un límite de voltaje más bajo cuando las celdas de litio se descargan.Cuando el voltaje de la celda cae por debajo de 2,4 V, parte del material comienza a descomponerse.Y debido a que la batería se autodescarga, cuanto más tiempo dure, el voltaje será menor, por lo tanto, es mejor no descargar 2.4V para detenerse.De 3,0 V a 2,4 V, las baterías de litio liberan sólo alrededor del 3% de su capacidad.Por lo tanto, 3,0 V es un voltaje de corte de descarga ideal.Al cargar y descargar, además del límite de voltaje, también es necesario el límite de corriente.Cuando la corriente es demasiado alta, los iones de litio no tienen tiempo de ingresar a la celda de almacenamiento y se acumularán en la superficie del material.
A medida que estos iones ganan electrones, cristalizan átomos de litio en la superficie del material, lo que puede ser tan peligroso como una sobrecarga.Si la caja de la batería se rompe, explotará.Por lo tanto, la protección de la batería de iones de litio debe incluir al menos el límite superior de voltaje de carga, el límite inferior de voltaje de descarga y el límite superior de corriente.En general, además del núcleo de la batería de litio, habrá una placa de protección, que sirve principalmente para proporcionar estas tres protecciones.Sin embargo, la placa de protección de estas tres protecciones obviamente no es suficiente, los eventos de explosión de baterías de litio a nivel mundial o frecuentes.Para garantizar la seguridad de los sistemas de baterías, es necesario un análisis más cuidadoso de la causa de las explosiones de las baterías.
Causa de la explosión:
1. Gran polarización interna;
2.La pieza polar absorbe agua y reacciona con el tambor de gas electrolítico;
3.La calidad y rendimiento del propio electrolito;
4.La cantidad de líquido inyectado no puede cumplir con los requisitos del proceso;
5. El rendimiento del sello de soldadura láser es deficiente durante el proceso de preparación y se detecta fuga de aire.
6. El polvo y el polvo de la pieza polar son fáciles de provocar un microcortocircuito en primer lugar;
7.Placa positiva y negativa más gruesa que el rango del proceso, difícil de descascarar;
8. Problema de sellado de la inyección de líquido, el rendimiento deficiente del sellado de la bola de acero conduce al tambor de gas;
9.La pared de la carcasa del material entrante es demasiado gruesa, la deformación de la carcasa afecta el espesor;
10. La alta temperatura ambiente exterior también es la principal causa de la explosión.
El tipo de explosión
Análisis del tipo de explosión Los tipos de explosión del núcleo de la batería se pueden clasificar como cortocircuito externo, cortocircuito interno y sobrecarga.Lo externo aquí se refiere al exterior de la celda, incluido el cortocircuito causado por el diseño de aislamiento deficiente del paquete de batería interno.Cuando se produce un cortocircuito fuera de la celda y los componentes electrónicos no logran cortar el circuito, la celda generará mucho calor en el interior, lo que provocará que parte del electrolito se vaporice, la carcasa de la batería.Cuando la temperatura interna de la batería alcanza los 135 grados Celsius, el papel de diafragma de buena calidad cerrará el orificio fino, la reacción electroquímica termina o casi termina, la corriente cae y la temperatura también cae lentamente, evitando así la explosión. .Pero un papel de diafragma con una velocidad de cierre deficiente, o uno que no cierra en absoluto, mantendrá la batería caliente, vaporizará más electrolito y eventualmente reventará la carcasa de la batería, o incluso elevará la temperatura de la batería hasta el punto en que el material se queme. y explota.El cortocircuito interno es causado principalmente por las rebabas de las láminas de cobre y de aluminio que perforan el diafragma, o por los cristales dendríticos de átomos de litio que perforan el diafragma.
Estos pequeños metales con forma de aguja pueden provocar microcortocircuitos.Debido a que la aguja es muy delgada y tiene un cierto valor de resistencia, la corriente no es necesariamente muy grande.Las rebabas del papel de aluminio y cobre se producen en el proceso de producción.El fenómeno observado es que la batería se fuga demasiado rápido y la mayoría de ellas pueden ser detectadas por fábricas de células o plantas de ensamblaje.Y como las rebabas son pequeñas, a veces se queman, lo que hace que la batería vuelva a la normalidad.Por lo tanto, la probabilidad de explosión causada por un microcortocircuito de rebabas no es alta.De esta manera, a menudo se puede cargar desde el interior de cada fábrica de celdas, el voltaje de la batería baja y defectuosa, pero rara vez una explosión, obtiene respaldo estadístico.Por lo tanto, la explosión provocada por un cortocircuito interno se debe principalmente a una sobrecarga.Debido a que hay cristales de metal de litio en forma de agujas por todas partes en la lámina del electrodo trasero sobrecargado, hay puntos de perforación en todas partes y se producen microcortocircuitos en todas partes.Por lo tanto, la temperatura de la celda aumentará gradualmente y, finalmente, la temperatura alta electrolitorá el gas.Esta situación, ya sea que la temperatura sea demasiado alta para provocar la explosión de la combustión del material, o que el caparazón se haya roto primero, de modo que el aire que entra y el metal de litio se oxiden ferozmente, son el final de la explosión.
Pero tal explosión, provocada por un cortocircuito interno provocado por una sobrecarga, no ocurre necesariamente en el momento de la carga.Es posible que los consumidores dejen de cargar y saquen sus teléfonos antes de que la batería esté lo suficientemente caliente como para quemar materiales y producir suficiente gas como para reventar la carcasa de la batería.El calor generado por los numerosos cortocircuitos calienta lentamente la batería y, al cabo de un tiempo, explota.La descripción común de los consumidores es que levantaron el teléfono y descubrieron que estaba muy caliente, luego lo tiraron y explotó.Con base en los tipos de explosión anteriores, podemos centrarnos en la prevención de sobrecargas, la prevención de cortocircuitos externos y mejorar la seguridad de la celda.Entre ellos, la prevención de sobrecargas y cortocircuitos externos pertenece a la protección electrónica, que está muy relacionada con el diseño del sistema de batería y del paquete de baterías.El punto clave para mejorar la seguridad de las células es la protección química y mecánica, que tiene una gran relación con los fabricantes de células.
Problemas ocultos seguros
La seguridad de la batería de iones de litio no solo está relacionada con la naturaleza del material de la celda en sí, sino también con la tecnología de preparación y el uso de la batería.Las baterías de los teléfonos móviles explotan con frecuencia, por un lado debido a un fallo del circuito de protección, pero, lo que es más importante, el aspecto material no ha solucionado el problema en lo fundamental.
El material activo del cátodo de litio con ácido cobalto es un sistema muy maduro en baterías pequeñas, pero después de una carga completa, todavía hay muchos iones de litio en el ánodo; cuando se sobrecarga, se espera que los iones de litio que quedan en el ánodo acudan al ánodo. , se forma en el cátodo, la dendrita utiliza el corolario de sobrecarga de la batería de litio con ácido cobalto, incluso en el proceso normal de carga y descarga, también puede haber un exceso de iones de litio libres en el electrodo negativo para formar dendritas.La energía específica teórica del material de cobalato de litio es más de 270 mah/g, pero la capacidad real es sólo la mitad de la capacidad teórica para garantizar su rendimiento cíclico.En el proceso de uso, debido a alguna razón (como daño al sistema de gestión) y el voltaje de carga de la batería es demasiado alto, la parte restante de litio en el electrodo positivo se eliminará, a través del electrolito hasta la superficie del electrodo negativo en la forma de deposición de metal litio para formar dendritas.Las dendritas perforan el diafragma, creando un cortocircuito interno.
El componente principal del electrolito es el carbonato, que tiene un punto de inflamación bajo y un punto de ebullición bajo.Arderá o incluso explotará bajo ciertas condiciones.Si la batería se sobrecalienta, se producirá la oxidación y reducción del carbonato en el electrolito, lo que generará mucho gas y más calor.Si no hay una válvula de seguridad o el gas no se libera a través de la válvula de seguridad, la presión interna de la batería aumentará bruscamente y provocará una explosión.
La batería de iones de litio con electrolito de polímero no resuelve fundamentalmente el problema de seguridad, también se utilizan ácido de cobalto de litio y electrolito orgánico, y el electrolito es coloidal, no es fácil de filtrar, se producirá una combustión más violenta, la combustión es el mayor problema de seguridad de la batería de polímero.
También existen algunos problemas con el uso de la batería.Un cortocircuito externo o interno puede producir unos cientos de amperios de corriente excesiva.Cuando se produce un cortocircuito externo, la batería descarga instantáneamente una gran corriente, consumiendo una gran cantidad de energía y generando un enorme calor en la resistencia interna.El cortocircuito interno forma una gran corriente y la temperatura aumenta, lo que hace que el diafragma se derrita y el área del cortocircuito se expanda, formando así un círculo vicioso.
La batería de iones de litio para lograr una sola celda de 3 ~ 4,2 V de alto voltaje de trabajo, debe tomar la descomposición del voltaje es mayor que el electrolito orgánico de 2 V, y el uso de electrolito orgánico en condiciones de alta corriente y alta temperatura será electrolizado, electrolítico. El gas, lo que resulta en un aumento de la presión interna, romperá gravemente el caparazón.
La sobrecarga puede precipitar el litio metálico, en caso de ruptura de la carcasa, contacto directo con el aire, lo que resulta en combustión, al mismo tiempo ignición del electrolito, llama fuerte, rápida expansión del gas y explosión.
Además, en el caso de la batería de iones de litio de un teléfono móvil, debido a un uso inadecuado, como extrusión, impacto y entrada de agua, la batería se expande, se deforma y se agrieta, etc., lo que provocará un cortocircuito en la batería durante el proceso de descarga o carga. por explosión de calor.
Seguridad de las baterías de litio:
Para evitar una descarga excesiva o una sobrecarga causada por un uso inadecuado, se establece un mecanismo de protección triple en una sola batería de iones de litio.Uno es el uso de elementos de conmutación, cuando la temperatura de la batería aumenta, su resistencia aumentará, cuando la temperatura es demasiado alta, detendrá automáticamente el suministro de energía;El segundo es elegir el material de partición apropiado, cuando la temperatura aumenta a un cierto valor, los poros de micrones en la partición se disolverán automáticamente, de modo que los iones de litio no puedan pasar, la reacción interna de la batería se detiene;El tercero es configurar la válvula de seguridad (es decir, el orificio de ventilación en la parte superior de la batería).Cuando la presión interna de la batería aumenta a un cierto valor, la válvula de seguridad se abrirá automáticamente para garantizar la seguridad de la batería.
A veces, aunque la batería en sí tiene medidas de control de seguridad, pero debido a algunas razones causadas por una falla de control, la falta de válvula de seguridad o el gas no tiene tiempo de liberarse a través de la válvula de seguridad, la presión interna de la batería aumentará bruscamente y causará una explosión.Generalmente, la energía total almacenada en las baterías de iones de litio es inversamente proporcional a su seguridad.A medida que aumenta la capacidad de la batería, el volumen de la batería también aumenta, su rendimiento de disipación de calor se deteriora y la posibilidad de accidentes aumentará considerablemente.Para las baterías de iones de litio utilizadas en teléfonos móviles, el requisito básico es que la probabilidad de accidentes de seguridad sea inferior a uno en un millón, que también es el estándar mínimo aceptable para el público.Para las baterías de iones de litio de gran capacidad, especialmente para automóviles, es muy importante adoptar una disipación de calor forzada.
La selección de materiales de electrodo más seguros, material de óxido de litio y manganeso, en términos de estructura molecular para garantizar que en el estado de carga completa, los iones de litio en el electrodo positivo hayan quedado completamente incrustados en el orificio de carbono negativo, evita fundamentalmente la generación de dendritas.Al mismo tiempo, la estructura estable del ácido de litio y manganeso, por lo que su rendimiento de oxidación es mucho menor que el del ácido de litio y cobalto, la temperatura de descomposición del ácido de litio y cobalto es superior a 100 ℃, incluso debido a un cortocircuito externo (punción), externo cortocircuito, sobrecarga, también puede evitar completamente el peligro de combustión y explosión causada por el metal de litio precipitado.
Además, el uso de material de manganato de litio también puede reducir considerablemente el costo.
Para mejorar el rendimiento de la tecnología de control de seguridad existente, primero debemos mejorar el rendimiento de seguridad del núcleo de la batería de iones de litio, lo cual es particularmente importante para las baterías de gran capacidad.Elija un diafragma con buen rendimiento de cierre térmico.La función del diafragma es aislar los polos positivo y negativo de la batería permitiendo al mismo tiempo el paso de los iones de litio.Cuando la temperatura aumenta, la membrana se cierra antes de que se derrita, lo que aumenta la resistencia interna a 2000 ohmios y detiene la reacción interna.Cuando la presión o temperatura interna alcanza el estándar preestablecido, la válvula a prueba de explosiones se abrirá y comenzará a aliviar la presión para evitar la acumulación excesiva de gas interno, la deformación y, eventualmente, provocar la explosión del proyectil.Mejore la sensibilidad del control, seleccione parámetros de control más sensibles y adopte el control combinado de múltiples parámetros (lo cual es particularmente importante para baterías de gran capacidad).Para el paquete de baterías de iones de litio de gran capacidad, hay una composición de celdas múltiples en serie/paralelo, como el voltaje de una computadora portátil es superior a 10 V, gran capacidad, generalmente usando de 3 a 4 series de baterías individuales puede cumplir con los requisitos de voltaje, y luego de 2 a 3 series de Paquete de baterías en paralelo para garantizar una gran capacidad.
El paquete de baterías de alta capacidad en sí debe estar equipado con una función de protección relativamente perfecta, y también se deben considerar dos tipos de módulos de placa de circuito: el módulo ProtecTIonBoardPCB y el módulo SmartBatteryGaugeBoard.Todo el diseño de protección de la batería incluye: IC de protección de nivel 1 (evitar sobrecarga, sobredescarga y cortocircuito de la batería), IC de protección de nivel 2 (evitar una segunda sobretensión), fusible, indicador LED, regulación de temperatura y otros componentes.Bajo el mecanismo de protección multinivel, incluso en el caso de una alimentación anormal del cargador y la computadora portátil, la batería de la computadora portátil solo se puede cambiar al estado de protección automática.Si la situación no es grave, a menudo funciona normalmente después de enchufarlo y retirarlo sin explotar.
La tecnología subyacente utilizada en las baterías de iones de litio utilizadas en computadoras portátiles y teléfonos móviles no es segura y es necesario considerar estructuras más seguras.
En conclusión, con el progreso de la tecnología de materiales y la profundización de la comprensión de las personas sobre los requisitos para el diseño, fabricación, prueba y uso de baterías de iones de litio, el futuro de las baterías de iones de litio será más seguro.
Hora de publicación: 07-mar-2022