Schutzmaßnahmen und Explosionsursachen von Lithium-Ionen-Batterien

Lithiumbatterien sind das am schnellsten wachsende Batteriesystem der letzten 20 Jahre und werden häufig in elektronischen Produkten verwendet. Die jüngste Explosion von Mobiltelefonen und Laptops ist im Wesentlichen eine Batterieexplosion. Wie Handy- und Laptop-Akkus aussehen, wie sie funktionieren, warum sie explodieren und wie man sie vermeidet.

Nebenwirkungen treten auf, wenn die Lithiumzelle auf eine Spannung von mehr als 4,2 V überladen wird. Je höher der Überladedruck, desto höher das Risiko. Bei Spannungen über 4,2 V, wenn weniger als die Hälfte der Lithiumatome im Kathodenmaterial verbleibt, bricht die Speicherzelle häufig zusammen, was zu einem dauerhaften Rückgang der Batteriekapazität führt. Bei fortgesetzter Ladung lagern sich nachfolgende Lithiummetalle auf der Oberfläche des Kathodenmaterials ab, da die Speicherzelle der Kathode bereits voller Lithiumatome ist. Diese Lithiumatome bilden dendritische Kristalle von der Kathodenoberfläche in Richtung der Lithiumionen. Die Lithiumkristalle passieren das Membranpapier und schließen Anode und Kathode kurz. Manchmal explodiert die Batterie, bevor es zu einem Kurzschluss kommt. Dies liegt daran, dass während des Überladevorgangs Materialien wie Elektrolyte reißen und Gas erzeugen, das dazu führt, dass das Batteriegehäuse oder das Druckventil anschwillt und platzt, wodurch Sauerstoff mit den auf der Oberfläche der negativen Elektrode angesammelten Lithiumatomen reagieren und explodieren kann.

Daher ist es beim Laden von Lithiumbatterien erforderlich, die Spannungsobergrenze festzulegen, um die Lebensdauer, Kapazität und Sicherheit der Batterie zu berücksichtigen. Die ideale Obergrenze der Ladespannung liegt bei 4,2 V. Auch bei der Entladung von Lithiumzellen soll es eine untere Spannungsgrenze geben. Wenn die Zellspannung unter 2,4 V fällt, beginnt ein Teil des Materials zu zerfallen. Und da sich die Batterie selbst entlädt, ist die Spannung umso niedriger, je länger sie bleibt. Daher ist es am besten, die Entladung nicht auf 2,4 V zu stoppen. Von 3,0 V bis 2,4 V geben Lithiumbatterien nur etwa 3 % ihrer Kapazität ab. Daher ist 3,0 V eine ideale Entlade-Abschaltspannung. Beim Laden und Entladen ist neben der Spannungsbegrenzung auch die Strombegrenzung notwendig. Wenn der Strom zu hoch ist, haben Lithiumionen keine Zeit, in die Speicherzelle einzudringen, und sammeln sich auf der Oberfläche des Materials an.

Wenn diese Ionen Elektronen aufnehmen, kristallisieren sie Lithiumatome auf der Oberfläche des Materials, was genauso gefährlich sein kann wie eine Überladung. Wenn das Batteriegehäuse zerbricht, explodiert es. Daher sollte der Schutz von Lithium-Ionen-Batterien mindestens die Obergrenze der Ladespannung, die Untergrenze der Entladespannung und die Obergrenze des Stroms umfassen. Im Allgemeinen gibt es zusätzlich zum Lithiumbatteriekern eine Schutzplatte, die hauptsächlich diesen drei Schutzmaßnahmen dient. Die Schutzplatte dieser drei Schutzvorrichtungen reicht jedoch offensichtlich nicht aus, da es zu weltweiten Explosionsereignissen bei Lithiumbatterien kommt oder diese häufig vorkommen. Um die Sicherheit von Batteriesystemen zu gewährleisten, ist eine genauere Analyse der Ursache von Batterieexplosionen erforderlich.

Explosionsursache:

1. Große interne Polarisation;

2. Das Polstück absorbiert Wasser und reagiert mit der Elektrolytgastrommel.

3. Die Qualität und Leistung des Elektrolyten selbst;

4. Die Menge der eingespritzten Flüssigkeit kann die Prozessanforderungen nicht erfüllen.

5. Die Leistung der Laserschweißdichtung während des Vorbereitungsprozesses ist schlecht und es wird eine Luftleckage festgestellt.

6. Staub und Polstückstaub können zunächst leicht einen Mikrokurzschluss verursachen.

7.Positive und negative Platten dicker als der Prozessbereich, schwer zu schälen;

8. Dichtungsproblem bei der Flüssigkeitseinspritzung, schlechte Dichtungsleistung der Stahlkugel führt zum Gasfass;

9. Die Schalenwand des eingehenden Materials ist zu dick, die Schalenverformung wirkt sich auf die Dicke aus.

10. Die hohe Außentemperatur ist auch die Hauptursache für die Explosion.

Der Explosionstyp

Explosionstypanalyse Die Arten der Batteriekernexplosion können in externer Kurzschluss, interner Kurzschluss und Überladung eingeteilt werden. Mit „extern“ ist hier das Äußere der Zelle gemeint, einschließlich des Kurzschlusses, der durch die schlechte Isolationskonstruktion des internen Batteriepacks verursacht wird. Wenn außerhalb der Zelle ein Kurzschluss auftritt und die elektronischen Komponenten den Kreislauf nicht unterbrechen, erzeugt die Zelle im Inneren große Hitze, wodurch ein Teil des Elektrolyten, das Batteriegehäuse, verdampft. Wenn die Innentemperatur der Batterie 135 Grad Celsius erreicht, verschließt das Membranpapier von guter Qualität das feine Loch, die elektrochemische Reaktion wird beendet oder fast beendet, der Strom sinkt und auch die Temperatur sinkt langsam, wodurch eine Explosion vermieden wird . Aber ein Membranpapier mit einer schlechten Schließgeschwindigkeit oder einem, das überhaupt nicht schließt, hält die Batterie warm, verdampft mehr Elektrolyt und kann schließlich zum Platzen des Batteriegehäuses führen oder sogar die Batterietemperatur so weit ansteigen lassen, dass das Material verbrennt und explodiert. Der interne Kurzschluss wird hauptsächlich durch den Grat der Kupfer- und Aluminiumfolie verursacht, der die Membran durchdringt, oder durch die dendritischen Kristalle von Lithiumatomen, die die Membran durchdringen.

Diese winzigen, nadelförmigen Metalle können Mikrokurzschlüsse verursachen. Da die Nadel sehr dünn ist und einen bestimmten Widerstandswert hat, ist der Strom nicht unbedingt sehr groß. Die Grate der Kupfer-Aluminiumfolie entstehen im Produktionsprozess. Das beobachtete Phänomen ist, dass die Batterie zu schnell ausläuft und die meisten davon von Zellfabriken oder Montagewerken ausgesiebt werden können. Und weil die Grate klein sind, brennen sie manchmal ab, wodurch der Akku wieder normal wird. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Explosion, die durch einen Mikrokurzschluss verursacht wird, nicht hoch. Eine solche Ansicht kann oft aus dem Inneren jeder Zellenfabrik geladen werden, die Spannung an der schlechten Batterie ist niedrig, aber selten explodiert es, statistische Unterstützung erhalten. Daher wird die durch einen internen Kurzschluss verursachte Explosion hauptsächlich durch Überladung verursacht. Da sich überall auf der überladenen hinteren Elektrodenfolie nadelartige Lithiummetallkristalle befinden, gibt es überall Einstichstellen und überall kommt es zu Mikrokurzschlüssen. Daher wird die Zelltemperatur allmählich ansteigen und schließlich wird das Elektrolytgas bei hoher Temperatur freigesetzt. Unabhängig davon, ob die Temperatur zu hoch ist, um die Materialverbrennung zu explodieren, oder ob die Hülle zuerst zerbrochen wurde, so dass die Luft eindringt und das Lithiummetall heftig oxidiert, endet die Explosion.

Eine solche Explosion, die durch einen internen Kurzschluss durch Überladung verursacht wird, muss jedoch nicht unbedingt zum Zeitpunkt des Ladevorgangs auftreten. Es ist möglich, dass Verbraucher den Ladevorgang abbrechen und ihre Telefone herausnehmen, bevor der Akku heiß genug ist, um Materialien zu verbrennen und so viel Gas zu produzieren, dass das Akkugehäuse platzt. Die durch die zahlreichen Kurzschlüsse entstehende Hitze erwärmt die Batterie langsam und explodiert nach einiger Zeit. Die übliche Beschreibung von Verbrauchern ist, dass sie das Telefon in die Hand nahmen und feststellten, dass es sehr heiß war, es dann wegwarfen und explodierten. Basierend auf den oben genannten Explosionsarten können wir uns auf die Verhinderung von Überladung, die Verhinderung externer Kurzschlüsse und die Verbesserung der Sicherheit der Zelle konzentrieren. Dazu gehört die Verhinderung von Überladung und externem Kurzschluss zum elektronischen Schutz, der stark mit der Gestaltung des Batteriesystems und des Batteriesatzes zusammenhängt. Der entscheidende Punkt bei der Verbesserung der Zellsicherheit ist der chemische und mechanische Schutz, zu dem eine gute Beziehung zu den Zellherstellern besteht.

Sicher versteckte Probleme

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hängt nicht nur von der Beschaffenheit des Zellmaterials selbst ab, sondern auch von der Herstellungstechnologie und der Verwendung der Batterie. Handy-Akkus explodieren häufig, einerseits aufgrund des Versagens der Schutzschaltung, aber noch wichtiger: Der materielle Aspekt hat das Problem nicht grundsätzlich gelöst.

Kobaltsäure-Lithium-Kathoden-Aktivmaterial ist ein sehr ausgereiftes System in kleinen Batterien, aber nach einer vollständigen Ladung befinden sich immer noch viele Lithium-Ionen an der Anode, und bei Überladung ist zu erwarten, dass die in der Anode verbleibenden Lithium-Ionen zur Anode strömen , Auf der Kathode wird Dendrit gebildet, was zu einer Überladung der Kobaltsäure-Lithiumbatterie führt. Auch im normalen Lade- und Entladevorgang können überschüssige Lithiumionen an der negativen Elektrode freigesetzt werden, um Dendriten zu bilden. Die theoretische spezifische Energie von Lithiumcobalat-Material beträgt mehr als 270 mAh/g, aber die tatsächliche Kapazität beträgt nur die Hälfte der theoretischen Kapazität, um seine Zyklenleistung sicherzustellen. Während des Gebrauchs wird aus irgendeinem Grund (z. B. einer Beschädigung des Managementsystems) und wenn die Batterieladespannung zu hoch ist, der verbleibende Teil des Lithiums in der positiven Elektrode durch den Elektrolyten zur negativen Elektrodenoberfläche entfernt die Form der Lithiummetallablagerung zur Bildung von Dendriten. Dendriten durchdringen das Zwerchfell und erzeugen einen inneren Kurzschluss.

Der Hauptbestandteil des Elektrolyten ist Carbonat, das einen niedrigen Flammpunkt und einen niedrigen Siedepunkt hat. Unter bestimmten Bedingungen kann es brennen oder sogar explodieren. Wenn die Batterie überhitzt, kommt es zur Oxidation und Reduktion des Karbonats im Elektrolyten, wodurch viel Gas und mehr Wärme entstehen. Wenn kein Sicherheitsventil vorhanden ist oder das Gas nicht über das Sicherheitsventil abgelassen wird, steigt der Innendruck der Batterie stark an und verursacht eine Explosion.

Polymerelektrolyt-Lithium-Ionen-Batterien lösen das Sicherheitsproblem nicht grundsätzlich. Es werden auch Lithium-Kobalt-Säure und organische Elektrolyte verwendet.

Auch bei der Nutzung des Akkus gibt es einige Probleme. Ein externer oder interner Kurzschluss kann einige Hundert Ampere Überstrom erzeugen. Wenn ein externer Kurzschluss auftritt, entlädt die Batterie sofort einen großen Strom, verbraucht viel Energie und erzeugt große Hitze am Innenwiderstand. Der interne Kurzschluss erzeugt einen großen Strom und die Temperatur steigt, wodurch die Membran schmilzt und sich der Kurzschlussbereich ausdehnt, wodurch ein Teufelskreis entsteht.

Um bei einer Lithium-Ionen-Batterie eine hohe Arbeitsspannung von 3 bis 4,2 V für eine einzelne Zelle zu erreichen, muss der organische Elektrolyt eine Spannung von mehr als 2 V zersetzen, und der organische Elektrolyt wird unter Hochstrom- und Hochtemperaturbedingungen elektrolysiert und elektrolytisch Gas, was zu einem erhöhten Innendruck führt und zu einem ernsthaften Durchbruch der Hülle führen kann.

Überladung kann zur Ausfällung von Lithiummetall führen, im Falle eines Bruchs der Hülle kann es zu direktem Kontakt mit Luft kommen, was zu einer Verbrennung führt, gleichzeitig kann es zu einer Entzündung des Elektrolyten, einer starken Flamme, einer schnellen Gasausdehnung und einer Explosion kommen.

Darüber hinaus kann es bei Lithium-Ionen-Akkus für Mobiltelefone aufgrund unsachgemäßer Verwendung wie Extrusion, Stöße und Wasseraufnahme zu einer Ausdehnung, Verformung und Rissbildung des Akkus usw. kommen, was zu einem Kurzschluss des Akkus beim Entlade- oder Ladevorgang führt durch Hitzeexplosion.

Sicherheit von Lithiumbatterien:

Um eine Tiefentladung oder Überladung durch unsachgemäßen Gebrauch zu vermeiden, ist in einem einzelnen Lithium-Ionen-Akku ein dreifacher Schutzmechanismus eingebaut. Eine davon ist die Verwendung von Schaltelementen: Wenn die Temperatur der Batterie steigt, steigt ihr Widerstand. Wenn die Temperatur zu hoch ist, wird die Stromversorgung automatisch unterbrochen. Die zweite besteht darin, das geeignete Trennmaterial auszuwählen. Wenn die Temperatur auf einen bestimmten Wert ansteigt, lösen sich die Mikroporen auf der Trennwand automatisch auf, so dass Lithiumionen nicht passieren können und die interne Reaktion der Batterie stoppt. Der dritte Schritt besteht darin, das Sicherheitsventil einzurichten (d. h. das Entlüftungsloch oben an der Batterie). Wenn der Innendruck der Batterie auf einen bestimmten Wert ansteigt, öffnet sich das Sicherheitsventil automatisch, um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten.

Obwohl die Batterie selbst über Sicherheitskontrollmaßnahmen verfügt, kann es vorkommen, dass der Innendruck der Batterie aus bestimmten Gründen stark ansteigt, was zu einem starken Anstieg des Batterieinnendrucks führt eine Explosion. Im Allgemeinen ist die in Lithium-Ionen-Batterien gespeicherte Gesamtenergie umgekehrt proportional zu ihrer Sicherheit. Mit zunehmender Kapazität der Batterie nimmt auch das Volumen der Batterie zu, ihre Wärmeableitungsleistung verschlechtert sich und die Unfallgefahr nimmt stark zu. Für Lithium-Ionen-Batterien, die in Mobiltelefonen verwendet werden, gilt als Grundvoraussetzung, dass die Wahrscheinlichkeit von Sicherheitsunfällen weniger als eins zu einer Million beträgt, was auch der für die Öffentlichkeit akzeptable Mindeststandard ist. Bei Lithium-Ionen-Batterien mit großer Kapazität, insbesondere für Automobile, ist es sehr wichtig, eine erzwungene Wärmeableitung zu übernehmen.

Die Auswahl sichererer Elektrodenmaterialien, Lithiummanganoxidmaterial, im Hinblick auf die Molekülstruktur, um sicherzustellen, dass die Lithiumionen in der positiven Elektrode im vollen Ladezustand vollständig in das negative Kohlenstoffloch eingebettet sind, verhindert grundsätzlich die Entstehung von Dendriten. Gleichzeitig ist die Struktur der Lithium-Mangan-Säure stabil, so dass ihre Oxidationsleistung weitaus geringer ist als die von Lithium-Kobalt-Säure, die Zersetzungstemperatur von Lithium-Kobalt-Säure liegt über 100℃, selbst aufgrund eines externen externen Kurzschlusses (Needling), extern Durch Kurzschluss und Überladung kann auch die Gefahr einer Verbrennung und Explosion durch ausgefälltes Lithiummetall vollständig vermieden werden.

Darüber hinaus können durch die Verwendung von Lithiummanganatmaterial auch die Kosten erheblich gesenkt werden.

Um die Leistung der vorhandenen Sicherheitssteuerungstechnologie zu verbessern, müssen wir zunächst die Sicherheitsleistung des Lithium-Ionen-Batteriekerns verbessern, was besonders für Batterien mit großer Kapazität wichtig ist. Wählen Sie eine Membran mit guter thermischer Schließleistung. Die Aufgabe der Membran besteht darin, die positiven und negativen Pole der Batterie zu isolieren und gleichzeitig den Durchgang von Lithiumionen zu ermöglichen. Wenn die Temperatur steigt, wird die Membran geschlossen, bevor sie schmilzt, wodurch der Innenwiderstand auf 2.000 Ohm steigt und die interne Reaktion gestoppt wird. Wenn der Innendruck oder die Innentemperatur den voreingestellten Standard erreicht, öffnet sich das explosionsgeschützte Ventil und beginnt, den Druck zu entlasten, um eine übermäßige Ansammlung von Innengas und Verformungen zu verhindern, die schließlich zum Platzen des Gehäuses führen könnten. Verbessern Sie die Steuerungsempfindlichkeit, wählen Sie empfindlichere Steuerungsparameter und übernehmen Sie die kombinierte Steuerung mehrerer Parameter (was besonders wichtig für Batterien mit großer Kapazität ist). Bei einem Lithium-Ionen-Akku mit großer Kapazität handelt es sich um eine Reihen-/Parallelschaltung mit mehreren Zellen, z. B. bei einer Notebook-Computerspannung von mehr als 10 V und großer Kapazität. Im Allgemeinen können 3 bis 4 einzelne Akkuserien verwendet werden, um die Spannungsanforderungen zu erfüllen, und dann 2 bis 3 Serien Batteriepack parallel schalten, um eine große Kapazität zu gewährleisten.

Der Hochleistungsakku selbst muss mit einer relativ perfekten Schutzfunktion ausgestattet sein, außerdem sollten zwei Arten von Leiterplattenmodulen in Betracht gezogen werden: das ProtecTIonBoardPCB-Modul und das SmartBatteryGaugeBoard-Modul. Das gesamte Batterieschutzdesign umfasst: Schutz-IC der Stufe 1 (Verhinderung von Überladung, Tiefentladung und Kurzschluss der Batterie), Schutz-IC der Stufe 2 (Verhinderung zweiter Überspannung), Sicherung, LED-Anzeige, Temperaturregelung und andere Komponenten. Durch den mehrstufigen Schutzmechanismus kann der Laptop-Akku auch bei anormaler Leistung des Ladegeräts und des Laptops nur in den automatischen Schutzzustand geschaltet werden. Wenn die Situation nicht ernst ist, funktioniert es nach dem Einstecken und Entfernen oft normal, ohne dass es zu einer Explosion kommt.

Die zugrunde liegende Technologie, die in Lithium-Ionen-Batterien für Laptops und Mobiltelefone zum Einsatz kommt, ist unsicher und es müssen sicherere Strukturen in Betracht gezogen werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zukunft von Lithium-Ionen-Batterien mit dem Fortschritt der Materialtechnologie und der Vertiefung des Verständnisses der Menschen für die Anforderungen an Design, Herstellung, Prüfung und Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien sicherer wird.