A lítium a legkisebb és legreaktívabb fém a periódusos rendszerben. Kis méretének köszönhetően nagy kapacitássűrűséggel rendelkezik, és széles körben üdvözlik a fogyasztók és a mérnökök. A kémiai tulajdonságok azonban túlságosan reaktívak, ami rendkívül magas kockázatot jelent. Amikor a fém lítiumot levegőnek teszik ki, heves oxidációs reakcióba lép az oxigénnel, és felrobban. A biztonság és a feszültség javítása érdekében a tudósok olyan anyagokat találtak fel, mint a grafit és a lítium-kobalt-oxid a lítiumatomok tárolására. Ezeknek az anyagoknak a molekuláris szerkezete nanométeres szinten apró tárolórácsokat alkot, amelyek lítiumatomok tárolására használhatók. Ily módon még ha az akkumulátor héja megreped és oxigén jut be, az oxigénmolekulák túl nagyok lesznek ahhoz, hogy bejussanak ezekbe a kis tárolórekeszekbe, így a lítium atomok nem érintkeznek oxigénnel a robbanás elkerülése érdekében. A lítium-ion akkumulátorok ezen elve lehetővé teszi az emberek számára, hogy nagy kapacitássűrűséget érjenek el, miközben a biztonságot is elérik.
A lítium-ion akkumulátor feltöltésekor a pozitív elektródában lévő lítium atomok elektronokat veszítenek, és lítium-ionokká oxidálódnak. A lítium-ionok az elektroliton keresztül a negatív elektródhoz úsznak, belépnek a negatív elektród tárolórekeszébe, elektront szereznek, és lítiumatomokká redukálódnak. Kisütéskor az egész folyamat megfordul. Annak elkerülése érdekében, hogy az akkumulátor pozitív és negatív elektródái közvetlenül érintkezzenek egymással és rövidzárlatot okozzanak, az akkumulátorhoz sok pórusú elválasztópapírt helyeznek a rövidzárlat elkerülése érdekében. Egy jó elválasztópapír automatikusan bezárja a pórusokat, ha az akkumulátor hőmérséklete túl magas, így lehetetlenné teszi a lítium-ionok átjutását, ezáltal meghiúsítja a célt és megelőzi a veszélyt.
Biztosíték
Miután a lítium akkumulátorcellát 4,2 V-nál magasabb feszültségre túltöltik, mellékhatások jelentkeznek. Minél nagyobb a túltöltési feszültség, annál nagyobb a kockázat. Miután a lítium akkumulátor cella feszültsége meghaladja a 4,2 V-ot, a pozitív elektród anyagában maradt lítium atomok száma kevesebb, mint a fele. Ilyenkor a memóriacellák gyakran összeomlanak, ami az akkumulátor kapacitásának tartós csökkenését okozza. Ha a töltés folytatódik, mivel a negatív elektróda tárolórekeszét lítium atomok töltik meg, a következő lítium fém halmozódik fel a negatív elektróda anyagának felületén. Ezek a lítium atomok dendriteket növesztenek a negatív elektród felületéről a lítium-ionok irányába. Ezek a lítium fémkristályok áthaladnak az elválasztó papíron, és rövidre zárják a pozitív és negatív elektródákat. Néha az akkumulátor rövidzárlat előtt felrobban. Ennek az az oka, hogy a túltöltési folyamat során az elektrolit és más anyagok megrepednek és gázt termelnek, aminek következtében az akkumulátor héja vagy a nyomásszelep megduzzad és megreped, ami lehetővé teszi az oxigén bejutását és a negatív elektróda felületén felgyülemlett lítium atomokkal való reakcióba lépését. És akkor felrobban. Ezért a lítium akkumulátorok töltésekor a felső feszültséghatárt úgy kell beállítani, hogy az akkumulátor élettartamát, kapacitását és biztonságát egyszerre lehessen figyelembe venni. A töltési feszültség ideális felső határa 4,2 V.
Kisütéskor a lítium akkumulátoroknak alacsonyabb feszültséghatárral kell rendelkezniük. Ha a cella feszültsége alacsonyabb, mint 2,4 V, egyes anyagok megsemmisülnek. És mivel az akkumulátor önkisül, minél tovább van lemerítve, annál alacsonyabb lesz a feszültség. Ezért a legjobb, ha nem hagyja abba a kisütést 2,4 V-on. Abban az időszakban, amikor a lítium akkumulátor 30V-ról 2,4 V-ra lemerül, a felszabaduló energia csak az akkumulátor kapacitásának körülbelül 3%-át teszi ki. Ezért a 3.{11}}V ideális kisülési feszültség.
Töltésnél és kisütésnél a feszültségkorlátozás mellett áramkorlátozás is szükséges. Ha az áram túl nagy, a lítium-ionoknak nincs idejük bejutni a tárolási helyre, és felhalmozódnak az anyag felületén. Miután ezek a lítium-ionok elektronokat szereznek, lítiumatom kristályokat hoznak létre az anyag felületén, ami ugyanolyan veszélyes, mint a túltöltés. Ha az akkumulátorház elreped, felrobban.
Ezért a lítium-ion akkumulátorok védelmének legalább a következőket kell tartalmaznia: a töltőfeszültség felső határa, a kisülési feszültség alsó határa és az áram felső határa. Általában a lítium akkumulátorcsomagban a lítium akkumulátor magon kívül védőlemez is található. Ez a védőlemez elsősorban ezt a három védelmet biztosítja. A védőlapnak ez a három védelme azonban nyilvánvalóan nem elegendő, és a lítiumelemek felrobbanása továbbra is gyakori az egész világon. Az akkumulátorrendszer biztonsága érdekében alaposabb elemzést kell végezni az akkumulátorrobbanások okairól.
Az akkumulátor robbanásának okai
1. Nagy belső polarizáció!
2. A pólusdarab felszívja a vizet és reakcióba lép az elektrolittal.
3. Maga az elektrolit minősége és teljesítménye.
4. Folyadék befecskendezésekor a befecskendezett folyadék mennyisége nem felel meg a folyamat követelményeinek.
5. Az összeszerelési folyamat során a lézerhegesztés tömítési teljesítménye gyenge, ami levegőszivárgást és szivárgásérzékelést eredményez.
6. A por, a pólusrész por könnyen mikrozárlathoz vezethet először, a konkrét ok nem ismert.
7. A pozitív és negatív elektródalemezek vastagabbak, mint az eljárási tartomány, és nehéz behelyezni a héjba.
8. Folyadékbefecskendezési tömítési probléma, az acélgolyók rossz tömítési teljesítménye a levegő kidudorodásához vezet.
9. A bejövő héjanyag vastagabb héjfalú, a héj deformációja befolyásolja a vastagságot.
Robbanástípus elemzés
Az akkumulátormag-robbanások típusai külső rövidzárlatként, belső rövidzárlatként és túltöltésként foglalhatók össze. A külső itt az akkumulátorcella külsejét jelenti, ideértve az akkumulátorcsomagon belüli rossz szigetelési kialakítás által okozott rövidzárlatokat is.
Ha rövidzárlat lép fel az akkumulátormagon kívül, és az elektronikus alkatrész nem tudja levágni az áramkört, az akkumulátormag belsejében nagy hő keletkezik, aminek következtében az elektrolit egy része elpárolog, és kitágul az akkumulátor héja. Amikor az akkumulátor belső hőmérséklete eléri a 135 Celsius-fokot, egy jó minőségű szeparátorpapír lezárja a pórusokat, az elektrokémiai reakció leáll, vagy csaknem leáll, az áramerősség erősen csökken, és a hőmérséklet is lassan csökken, így elkerülhető robbanás. Ha azonban a pórusok záródási sebessége túl gyenge, vagy a pórusok egyáltalán nem záródnak be, az akkumulátor hőmérséklete tovább emelkedik, több elektrolit párolog el, végül az akkumulátor héja szétreped, és az akkumulátor hőmérséklete még emelkedik. az a pont, ahol használják. Az anyag ég és felrobban.
A belső rövidzárlatot elsősorban a membránon áthatoló rézfólia és alumíniumfólia sorja, vagy a membránon áthatoló lítiumatomok dendritje okozza. Ezek az apró tűszerű fémek mikro rövidzárlatot okozhatnak. Mivel a tű nagyon vékony és bizonyos ellenállásértékkel rendelkezik, előfordulhat, hogy az áram nem túl nagy. A gyártási folyamat során réz és alumíniumfólia sorja keletkezik. Megfigyelhető jelenség, hogy az akkumulátor túl gyorsan szivárog, és legtöbbjüket az akkumulátorcella- vagy összeszerelő gyár ki tudja szűrni. Sőt, mivel a sorja olyan kicsi, néha leégnek, amitől az akkumulátor visszaáll a normál állapotba. Ezért a sorja mikro-zárlat által okozott robbanás valószínűsége nem magas.
Ezt az állítást statisztikai adatok támasztják alá abból a tényből, hogy a különböző akkumulátorgyárakban gyakran előfordulnak rossz akkumulátorok, amelyek töltés után röviddel alacsony feszültségűek, de robbanás ritkán történik. Ezért a belső rövidzárlatok okozta robbanásokat főként a túltöltés okozza. Mert a túltöltés után mindenhol tűszerű lítium fémkristályok vannak a pólusdarabon, mindenhol szúrási pontok vannak, és mindenhol előfordulnak mikrozárlatok. Ezért az akkumulátor hőmérséklete fokozatosan növekszik, és végül a magas hőmérséklet az elektrolitot elgázosítja. Ebben az esetben, ha a hőmérséklet túl magas, és az anyag ég és felrobban, vagy a héj először eltörik, lehetővé téve a levegő bejutását és heves oxidációját a lítium fémben, robbanás lesz a vége.
A túltöltés okozta belső rövidzárlat okozta robbanás azonban nem feltétlenül a töltéskor következik be. Előfordulhat, hogy amikor az akkumulátor hőmérséklete nem elég magas ahhoz, hogy az anyag égjen, és a keletkező gáz nem elég ahhoz, hogy felrobbantja az akkumulátor héját, a fogyasztók abbahagyják a töltést, és előveszik mobiltelefonjukat. Ekkor a számos mikrozárlat által termelt hő lassan megemeli az akkumulátor hőmérsékletét. Egy idő után az akkumulátor felrobban. A fogyasztók általános leírása szerint a telefont nagyon forrónak találták, amikor felvették, majd eldobás után felrobbant.
A fenti robbanástípusok alapján a robbanásmegelőzésre három aspektusban fókuszálhatunk: a túltöltés megelőzésére, a külső rövidzárlatok megelőzésére és az akkumulátorcellák biztonságának javítására. Ezek közül az elektronikai védelemhez tartozik a túltöltés és a külső rövidzárlat megelőzés, amelyek szorosan összefüggenek az akkumulátorrendszer tervezésével és az akkumulátor összeszerelésével. Az akkumulátorcellák biztonságának javításának középpontjában a vegyi és mechanikai védelem áll, amely szorosabb kapcsolatban áll az akkumulátorcella-gyártókkal.
tervezési specifikációk
Mivel a világon több száz millió mobiltelefon létezik, a biztonság eléréséhez a biztonsági védelem meghibásodási arányának kevesebbnek kell lennie, mint egy a 100 millióhoz. Mivel az áramköri lapok meghibásodási aránya általában sokkal magasabb, mint egy a 100 millióhoz. Ezért az akkumulátorrendszer tervezésekor kettőnél több biztonsági védelmi vonalnak kell lennie. Gyakori tervezési hiba, hogy az adapterrel közvetlenül töltik az akkumulátort. Így a túltöltés elleni védelem fontos feladata teljes egészében az akkumulátorcsomagon található védőlemezre hárul. Bár a védőtábla meghibásodási aránya nem magas, még ha a meghibásodási arány egy a millióhoz is alacsony, akkor is minden nap történnek robbanásbalesetek szerte a világon.
Ha az akkumulátorrendszer két szintű biztonsági védelmet tud nyújtani túltöltés, túlkisülés és túláram esetén, ha az egyes védelmi szintek hibaaránya egy a 10-hez,000, a két védelmi szint csökkentheti a hibaarány 1:100,000,000. Az akkumulátortöltő rendszer általános blokkvázlata a következő, beleértve a töltőt és az akkumulátorcsomagot. A töltő két részből áll: adapterből és töltésvezérlőből. Az adapter a váltakozó áramot egyenárammá alakítja, a töltésvezérlő pedig korlátozza az egyenáram maximális áramát és feszültségét. Az akkumulátorcsomag két részből áll: egy védőlemezből és egy akkumulátorcellából, valamint egy PTC-ből, amely korlátozza a maximális áramerősséget.
Vegyük például a mobiltelefon akkumulátor-rendszerét. A túltöltés elleni védelmi rendszer a töltő 4,2 V körüli kimeneti feszültségét használja az első védelmi szint eléréséhez. Ily módon, még ha az akkumulátorcsomag védőlemeze meghibásodik, az akkumulátor nem töltődik túl. Veszély lép fel. A második védelmi szint a védőlap túltöltés elleni védelmi funkciója, amely általában 4,3 V-ra van beállítva. Ily módon a védőpanelnek általában nem kell felelnie a töltőáram megszakításáért. Csak akkor kell működnie, ha a töltő feszültsége abnormálisan magas. A túláramvédelemről a védőlemez és az áramkorlátozó lemez gondoskodik. Ez is kétrétegű védelem a túláram és a külső rövidzárlat megelőzésére. Mivel a túltöltés csak elektronikus termékek használatakor fordul elő. Ezért az általános kialakítás az, hogy az elektronikus termék áramköri lapja biztosítsa az első szintű védelmet, és az akkumulátorcsomagon lévő védőlap a második szintű védelmet. Ha az elektronikus termékek azt észlelik, hogy a tápfeszültség 30V-nál alacsonyabb, automatikusan le kell kapcsolniuk. Ha a terméket nem ezzel a funkcióval tervezték, a védőkártya lezárja a kisülési áramkört, amikor a feszültség már 2,4 V alatt van.
Röviden, az akkumulátorrendszer tervezésekor két szintű elektronikus védelemről kell gondoskodni: túltöltés, túlkisülés és túláram. A védőtábla a második védelmi vonal. Töltés előtt távolítsa el a védőlemezt. Ha az akkumulátor felrobban, az rossz kialakítást jelent.
Bár a fenti módszer kétrétegű védelmet biztosít, a fogyasztók gyakran vásárolnak nem eredeti töltőket a töltéshez a töltő leállása után, a töltőgyártók pedig költségmegfontolások alapján a költségek csökkentése érdekében gyakran eltávolítják a töltésvezérlőt. . Ennek eredményeként a rossz pénz kiszorítja a jó pénzt, és sok rossz minőségű töltő jelenik meg a piacon. Ezáltal a túltöltés elleni védelem elveszíti az első és legfontosabb védelmi vonalat. A túltöltés az akkumulátor robbanását okozó legfontosabb tényező. Ezért a gyengébb minőségű töltők tekinthetők az akkumulátorrobbanások bűnöseinek.
Természetesen nem minden akkumulátorrendszer használja a fent bemutatott megoldást. Egyes esetekben az akkumulátorcsomag töltésvezérlővel is rendelkezik. Például: Sok notebook számítógép rendelkezik töltésvezérlővel a külső akkumulátorra. Ennek az az oka, hogy a notebook számítógépek általában a számítógépbe építik be a töltésvezérlőt, és csak adaptert biztosítanak a fogyasztóknak. Ezért a notebook számítógép külső akkumulátorcsomagjának töltésvezérlővel kell rendelkeznie, hogy biztosítsa a külső akkumulátorcsomag biztonságát adapterrel történő töltéskor. Ezenkívül az autós szivargyújtóval feltöltött termékeknél időnként töltésvezérlő van beépítve az akkumulátorcsomagba.
utolsó védelmi vonal
Ha az elektronikus védelmi intézkedések sikertelenek, az utolsó védelmi vonalat az akkumulátormag biztosítja. Az akkumulátormag biztonsági szintje nagyjából megkülönböztethető az alapján, hogy az akkumulátormag át tudja-e vészelni a külső rövidzárlatot és a túltöltést. Mert az akkumulátor felrobbanása előtt, ha lítium atomok halmozódnak fel a benne lévő anyag felületén, a robbanás erősebb lesz. Sőt, a túltöltés elleni védelemnek gyakran csak egy védelmi vonala marad, mivel a fogyasztók gyengébb minőségű töltőket használnak. Ezért az akkumulátorcellák túltöltésének ellenálló képessége fontosabb, mint az, hogy ellenálljon a külső rövidzárlatoknak.
Az alumíniumházas akkumulátorok és az acélházas akkumulátorok biztonságának összehasonlítása Az alumínium héjak nagy biztonsági előnnyel rendelkeznek az acélhéjakkal szemben.