Lityum piller son 20 yılda en hızlı büyüyen pil sistemi olup elektronik ürünlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.Son zamanlarda cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlarda yaşanan patlama aslında bir pil patlamasıdır.Cep telefonu ve dizüstü bilgisayar pilleri neye benziyor, nasıl çalışıyorlar, neden patlıyorlar ve bunlardan nasıl kaçınılacağı.
Lityum hücre 4,2V'tan daha yüksek bir voltaja aşırı yüklendiğinde yan etkiler ortaya çıkmaya başlar.Aşırı şarj basıncı ne kadar yüksek olursa risk de o kadar yüksek olur.4,2V'un üzerindeki voltajlarda, katot malzemesinde lityum atomlarının yarısından azı kaldığında, depolama hücresi sıklıkla çöker ve pil kapasitesinde kalıcı bir düşüşe neden olur.Şarj devam ederse, katodun depolama hücresi zaten lityum atomlarıyla dolu olduğundan, katot malzemesinin yüzeyinde sonraki lityum metalleri birikecektir.Bu lityum atomları, katot yüzeyinden lityum iyonları yönünde dendritik kristaller oluşturur.Lityum kristalleri diyafram kağıdından geçerek anot ve katoda kısa devre yaptıracaktır.Bazen pil kısa devre oluşmadan önce patlar.Bunun nedeni, aşırı şarj işlemi sırasında, elektrolit gibi malzemelerin çatlayarak pil muhafazasının veya basınç valfinin şişmesine ve patlamasına neden olan gaz üretmesi ve oksijenin negatif elektrotun yüzeyinde biriken lityum atomlarıyla reaksiyona girmesine ve patlamasına izin vermesidir.
Bu nedenle, lityum pili şarj ederken pil ömrünü, kapasitesini ve güvenliğini hesaba katarak voltaj üst sınırını ayarlamak gerekir.İdeal şarj voltajı üst sınırı 4,2V'dur.Lityum piller boşaldığında da daha düşük bir voltaj sınırı olmalıdır.Hücre voltajı 2,4V'un altına düştüğünde malzemenin bir kısmı parçalanmaya başlar.Ve pil kendi kendine boşalacağından, ne kadar uzun süre koyarsanız voltaj o kadar düşük olur, bu nedenle durdurmak için 2,4V'yi boşaltmamak en iyisidir.3,0V'tan 2,4V'a kadar lityum piller kapasitelerinin yalnızca %3'ünü serbest bırakır.Bu nedenle 3,0V ideal bir deşarj kesme voltajıdır.Şarj ve deşarj sırasında voltaj sınırına ek olarak akım sınırı da gereklidir.Akım çok yüksek olduğunda, lityum iyonlarının depolama hücresine girecek zamanı kalmaz ve malzemenin yüzeyinde birikecektir.
Bu iyonlar elektron kazandıkça malzemenin yüzeyindeki lityum atomlarını kristalleştiriyor ve bu da aşırı şarj kadar tehlikeli olabiliyor.Pil kutusu kırılırsa patlar.Bu nedenle lityum iyon pilin korunması en azından şarj voltajının üst sınırını, deşarj voltajının alt sınırını ve akımın üst sınırını içermelidir.Genel olarak, lityum pil çekirdeğine ek olarak, esas olarak bu üç korumayı sağlayacak bir koruma plakası bulunacaktır.Ancak bu üç korumanın koruma plakası açıkça yeterli değil, küresel lityum pil patlaması olayları veya sık sık yaşanıyor.Batarya sistemlerinin güvenliğini sağlamak için batarya patlamalarının nedeninin daha dikkatli bir şekilde analiz edilmesi gerekmektedir.
Patlama nedeni:
1. Büyük iç polarizasyon;
2. Kutup parçası suyu emer ve elektrolit gaz tamburu ile reaksiyona girer;
3. Elektrolitin kalitesi ve performansı;
4. Sıvı enjeksiyon miktarı proses gereksinimlerini karşılayamıyor;
5. Hazırlık sürecinde lazer kaynak contasının performansı zayıftır ve hava kaçağı tespit edilmiştir.
6. Toz ve kutup parçası tozunun ilk önce mikro kısa devreye neden olması kolaydır;
7. Proses aralığından daha kalın pozitif ve negatif plaka, kabuklanması zor;
8. Sıvı enjeksiyonunda sızdırmazlık sorunu, çelik bilyenin zayıf sızdırmazlık performansı gaz variline yol açar;
9.Kabuk gelen malzeme kabuk duvarı çok kalın, kabuk deformasyonu kalınlığı etkiliyor;
10. Dışarıdaki yüksek ortam sıcaklığı da patlamanın ana nedenidir.
Patlama türü
Patlama türü Analizi Pil çekirdeği patlaması türleri, harici kısa devre, dahili kısa devre ve aşırı şarj olarak sınıflandırılabilir.Burada harici, dahili batarya paketinin zayıf yalıtım tasarımından kaynaklanan kısa devre de dahil olmak üzere hücrenin dışını ifade eder.Hücrenin dışında bir kısa devre meydana geldiğinde ve elektronik bileşenler devreyi kesemediğinde, hücre içeride yüksek ısı üreterek elektrolitin bir kısmının, yani akü kabuğunun buharlaşmasına neden olur.Pilin iç sıcaklığı 135 santigrat dereceye yükseldiğinde, kaliteli diyafram kağıdı ince deliği kapatacak, elektrokimyasal reaksiyon sonlandırılacak veya neredeyse sonlandırılacak, akım düşecek ve sıcaklık da yavaşça düşecek ve böylece patlama önlenecektir. .Ancak kapanma hızı zayıf olan veya hiç kapanmayan bir diyafram kağıdı, pili sıcak tutacak, daha fazla elektroliti buharlaştıracak ve sonunda pil muhafazasını patlatacak, hatta pilin sıcaklığını malzemenin yanacağı noktaya kadar yükseltecektir. ve patlar.Dahili kısa devre esas olarak diyaframı delen bakır folyo ve alüminyum folyonun çapaklarından veya diyaframı delen lityum atomlarının dendritik kristallerinden kaynaklanır.
Bu küçük, iğne benzeri metaller mikro kısa devrelere neden olabilir.İğne çok ince olduğundan ve belirli bir direnç değerine sahip olduğundan akımın çok büyük olması gerekmez.Bakır alüminyum folyonun çapakları üretim sürecinde ortaya çıkar.Gözlemlenen olay, pilin çok hızlı akması ve çoğunun hücre fabrikaları veya montaj fabrikaları tarafından filtrelenebilmesidir.Çapaklar küçük olduğundan bazen yanarak pilin normale dönmesini sağlar.Bu nedenle çapak mikro kısa devresinden kaynaklanan patlama olasılığı yüksek değildir.Böyle bir görüş, çoğu zaman her hücre fabrikasının içinden şarj edilebilir, voltajı düşük kötü aküde olabilir, ancak nadiren patlayabilir, istatistiksel destek alır.Bu nedenle dahili kısa devreden kaynaklanan patlama esas olarak aşırı şarjdan kaynaklanır.Aşırı yüklenmiş arka elektrot tabakasının her yerinde iğne benzeri lityum metal kristalleri bulunduğundan, her yerde delinme noktaları vardır ve her yerde mikro kısa devre meydana gelir.Bu nedenle, hücre sıcaklığı yavaş yavaş artacak ve son olarak yüksek sıcaklık gazı elektrolitleyecektir.Bu durum, sıcaklığın malzemenin yanmasını önleyecek kadar yüksek olması veya kabuğun ilk önce kırılması, böylece içeri giren hava ve lityum metalinin şiddetli oksidasyonu patlamanın sonudur.
Ancak aşırı şarjın neden olduğu dahili kısa devrenin neden olduğu böyle bir patlamanın mutlaka şarj sırasında meydana gelmesi gerekmez.Pil, malzemeleri yakacak kadar ısınmadan ve pil muhafazasını patlatacak kadar gaz üretmeden tüketicilerin şarjı bırakıp telefonlarını çıkarmaları mümkün.Çok sayıda kısa devrenin ürettiği ısı, pili yavaşça ısıtır ve bir süre sonra patlar.Tüketicilerin ortak açıklaması, telefonu ellerine aldıklarında çok sıcak buldukları, daha sonra fırlatıp patlattıkları yönünde.Yukarıdaki patlama türlerine dayanarak aşırı şarjın önlenmesine, harici kısa devrenin önlenmesine ve hücrenin güvenliğinin arttırılmasına odaklanabiliriz.Bunlar arasında aşırı şarj ve harici kısa devrenin önlenmesi, batarya sistemi ve batarya takımının tasarımıyla büyük ölçüde ilgili olan elektronik korumaya aittir.Hücre güvenliğinin iyileştirilmesinin kilit noktası, hücre üreticileriyle büyük bir ilişkisi olan kimyasal ve mekanik korumadır.
Güvenli gizli sorun
Lityum iyon pilin güvenliği yalnızca hücre malzemesinin doğasıyla değil, aynı zamanda pilin hazırlanma teknolojisi ve kullanımıyla da ilgilidir.Bir yandan koruma devresinin arızalanması nedeniyle cep telefonu pilleri sık sık patlıyor, ancak daha da önemlisi maddi yönü sorunu temelden çözmüyor.
Kobalt asit lityum katot aktif maddesi küçük pillerde çok olgun bir sistemdir, ancak tam şarjdan sonra anotta hala çok fazla lityum iyonu vardır, aşırı şarj olduğunda anotta kalan lityum iyonunun anoda akın etmesi beklenir. , normal şarj ve deşarj işleminde bile kobalt asit lityum pilin aşırı şarjı kullanılarak katot dendritinde oluşturulur, dendritler oluşturmak için negatif elektrotta serbest kalan aşırı lityum iyonları da olabilir.Lityum kobalat malzemesinin teorik özgül enerjisi 270 mah/g'den fazladır, ancak gerçek kapasitesi, döngü performansını sağlamak için teorik kapasitenin yalnızca yarısı kadardır.Kullanım sürecinde, bazı nedenlerden dolayı (yönetim sisteminin hasar görmesi gibi) ve akü şarj voltajının çok yüksek olması nedeniyle, pozitif elektrottaki lityumun kalan kısmı elektrolit yoluyla negatif elektrot yüzeyine çıkarılacaktır. dendritler oluşturmak için lityum metal biriktirme şekli.Dendritler diyaframı delerek dahili bir kısa devre yaratır.
Elektrolitin ana bileşeni, düşük parlama noktasına ve düşük kaynama noktasına sahip olan karbonattır.Belirli koşullar altında yanacak, hatta patlayacaktır.Pilin aşırı ısınması, elektrolitteki karbonatın oksidasyonuna ve azalmasına yol açarak çok fazla gaz ve daha fazla ısı oluşmasına neden olur.Emniyet valfi yoksa veya emniyet valfinden gaz salınmazsa akünün iç basıncı hızla yükselecek ve patlamaya neden olacaktır.
Polimer elektrolit lityum iyon pil temel olarak güvenlik problemini çözmez, lityum kobalt asit ve organik elektrolit de kullanılır ve elektrolit koloidaldir, sızıntısı kolay değildir, daha şiddetli yanma meydana gelir, yanma polimer pil güvenliğinin en büyük sorunudur.
Pilin kullanımında da bazı sorunlar var.Harici veya dahili bir kısa devre, birkaç yüz amperlik aşırı akım üretebilir.Harici bir kısa devre meydana geldiğinde, pil anında büyük bir akımı boşaltır, büyük miktarda enerji tüketir ve iç direnç üzerinde büyük bir ısı üretir.Dahili kısa devre büyük bir akım oluşturur ve sıcaklık yükselir, diyaframın erimesine ve kısa devre alanının genişlemesine neden olarak bir kısır döngü oluşturur.
Tek hücreli 3 ~ 4.2V yüksek çalışma voltajı elde etmek için lityum iyon pil, 2V organik elektrolitten daha büyük voltajın ayrışmasını almalıdır ve yüksek akım, yüksek sıcaklık koşullarında organik elektrolit kullanımı elektrolize edilecek, elektrolitik olacaktır. İç basıncın artmasına neden olan gaz, kabuğu ciddi şekilde kıracaktır.
Aşırı şarj, kabuğun kırılması, havayla doğrudan temas halinde lityum metalini çökeltebilir, bu da yanmaya, aynı zamanda elektrolit tutuşmasına, güçlü aleve, gazın hızlı genleşmesine, patlamaya neden olabilir.
Buna ek olarak, cep telefonu lityum iyon bataryası için, ekstrüzyon, darbe ve su girişi gibi yanlış kullanım nedeniyle bataryanın genleşmesine, deformasyonuna ve çatlamasına vb. neden olacak, bu da bataryanın kısa devre yapmasına, deşarj veya şarj işlemine yol açacaktır. ısı patlamasıyla.
Lityum pillerin güvenliği:
Yanlış kullanımdan kaynaklanan aşırı deşarj veya aşırı şarjı önlemek için tek lityum iyon pilde üçlü koruma mekanizması ayarlanmıştır.Bunlardan biri, pilin sıcaklığı yükseldiğinde direnci artacak, sıcaklık çok yüksek olduğunda güç kaynağını otomatik olarak durduracak anahtarlama elemanlarının kullanılmasıdır;İkincisi, uygun bölme malzemesini seçmektir; sıcaklık belirli bir değere yükseldiğinde, bölmedeki mikron gözenekler otomatik olarak çözülür, böylece lityum iyonları geçemez, pilin iç reaksiyonu durur;Üçüncüsü emniyet valfini (yani akünün üst kısmındaki havalandırma deliğini) kurmaktır.Akünün iç basıncı belirli bir değere yükseldiğinde emniyet valfi akünün güvenliğini sağlamak için otomatik olarak açılacaktır.
Bazen akünün kendisinde emniyet kontrol önlemleri olmasına rağmen kontrol arızasından kaynaklanan bazı nedenlerden dolayı, emniyet valfinin bulunmaması veya gazın emniyet valfinden çıkacak zamanı olmaması nedeniyle akünün iç basıncı keskin bir şekilde yükselecek ve arızaya neden olacaktır. Bir patlama.Genel olarak lityum iyon pillerde depolanan toplam enerji, güvenlikleriyle ters orantılıdır.Pilin kapasitesi arttıkça pilin hacmi de artacak, ısı dağıtma performansı bozulacak ve kaza olasılığı büyük ölçüde artacaktır.Cep telefonlarında kullanılan lityum iyon piller için temel gereklilik, güvenlik kazası olasılığının milyonda birden az olmasıdır ki bu da halk tarafından kabul edilebilir minimum standarttır.Büyük kapasiteli lityum iyon piller, özellikle de otomobiller için, zorlanmış ısı dağıtımını benimsemek çok önemlidir.
Tam şarj durumunda, pozitif elektrottaki lityum iyonlarının negatif karbon deliğine tamamen gömülmesini sağlamak için moleküler yapı açısından daha güvenli elektrot malzemelerinin, lityum manganez oksit malzemesinin seçimi, temel olarak dendrit oluşumunu önler.Aynı zamanda, lityum manganez asidin kararlı yapısı, böylece oksidasyon performansı lityum kobalt asitten çok daha düşüktür, lityum kobalt asidin ayrışma sıcaklığı, harici kısa devre (iğneleme) nedeniyle bile 100 ° C'nin üzerindedir. kısa devre, aşırı şarj, çökelmiş lityum metalinin neden olduğu yanma ve patlama tehlikesini de tamamen önleyebilir.
Ayrıca lityum manganat malzemesinin kullanılması da maliyeti büyük ölçüde azaltabilir.
Mevcut güvenlik kontrol teknolojisinin performansını artırmak için öncelikle büyük kapasiteli piller için özellikle önemli olan lityum iyon pil çekirdeğinin güvenlik performansını iyileştirmeliyiz.İyi termal kapanma performansına sahip bir diyafram seçin.Diyaframın rolü, lityum iyonlarının geçişine izin verirken pilin pozitif ve negatif kutuplarını izole etmektir.Sıcaklık yükseldiğinde membran erimeden kapatılır, iç direnç 2.000 ohm'a yükseltilir ve iç reaksiyon durdurulur.Dahili basınç veya sıcaklık önceden belirlenmiş standarda ulaştığında, patlamaya dayanıklı valf açılacak ve dahili gazın aşırı birikmesini, deformasyonu önlemek ve sonunda kabuk patlamasına yol açmak için basıncı tahliye etmeye başlayacaktır.Kontrol hassasiyetini artırın, daha hassas kontrol parametreleri seçin ve birden fazla parametrenin birleşik kontrolünü benimseyin (bu özellikle büyük kapasiteli piller için önemlidir).Büyük kapasiteli lityum iyon pil paketi, dizüstü bilgisayar voltajının 10V'den fazla olduğu, büyük kapasiteli, genellikle 3 ila 4 tekli pil serisi kullanılarak voltaj gereksinimlerini karşılayabilen ve daha sonra 2 ila 3 seri gibi seri / paralel çoklu hücre bileşimidir. Büyük kapasite sağlamak için pil takımı paralel.
Yüksek kapasiteli pil paketinin kendisi nispeten mükemmel bir koruma fonksiyonuyla donatılmalı ve iki tür devre kartı modülü de dikkate alınmalıdır: ProtecTIonBoardPCB modülü ve SmartBatteryGaugeBoard modülü.Batarya koruma tasarımının tamamı şunları içerir: seviye 1 koruma IC'si (bataryanın aşırı şarjını, aşırı deşarjını, kısa devresini önler), seviye 2 koruma IC'si (ikinci aşırı voltajı önler), sigorta, LED göstergesi, sıcaklık regülasyonu ve diğer bileşenler.Çok seviyeli koruma mekanizması altında, şarj cihazında ve dizüstü bilgisayarda anormal güç olması durumunda bile dizüstü bilgisayar pili yalnızca otomatik koruma durumuna geçirilebilir.Durum ciddi değilse, genellikle fişe takılıp çıkarıldıktan sonra patlama olmadan normal şekilde çalışır.
Dizüstü bilgisayarlarda ve cep telefonlarında kullanılan lityum iyon pillerde kullanılan temel teknoloji güvensizdir ve daha güvenli yapıların dikkate alınması gerekmektedir.
Sonuç olarak, malzeme teknolojisinin ilerlemesi ve insanların lityum iyon pillerin tasarımı, üretimi, test edilmesi ve kullanımına ilişkin gerekliliklere ilişkin anlayışının derinleşmesiyle birlikte, lityum iyon pillerin geleceği daha güvenli hale gelecektir.
Gönderim zamanı: Mar-07-2022