Karakteristike litijum-jonske baterije
Litij je najmanji i najživlji metal na stolu kemijskih ciklusa. Mala zapremina i tako velika zapremina, široko je popularna među potrošačima i inženjerima. Ali, kemijske karakteristike su previše živahne, donose izuzetno visok rizik. Metal litijuma kada je izložen zraku, sa kisikom proizvodi intenzivnu oksidaciju i eksploziju. Da bi poboljšali sigurnost i napon, naučnici su izmislili materijale poput grafita i litijum kobaltata za skladištenje atoma litijuma. Molekularna struktura ovih materijala formira malu rešetku za skladištenje koja se može koristiti za skladištenje atoma litijuma. Na taj način, čak i ako se omotač baterije slomi i kisik uđe, kisik je prevelik da bi molekule kisika ušle u te male ćelije za skladištenje, tako da atomi litijuma ne dolaze u kontakt s kisikom i izbjegavaju eksploziju. Ovaj princip litijum-jonskih baterija omogućava ljudima da postignu sigurnosne svrhe, istovremeno postižući visoku gustinu kapaciteta.
Kada se litijum-jonska baterija napuni, pozitivni litijumovi atomi gube svoje elektrone i oksidiraju u litijumove jone. Litijumovi joni plivaju do negativne elektrode kroz elektrolit, ulaze u rešetku za odlaganje negativne elektrode i dobivaju elektron, reduciran na atome litijuma. Po otpuštanju se čitav postupak preokrene. Da biste spriječili kratki spoj između pozitivnog i negativnog pola, membranski papir s mnogo tankih rupa za sprečavanje kratkog spoja. Dobar membranski papir također može automatski zatvoriti finu rupu kada je temperatura baterije previsoka, tako da litijumovi joni ne mogu proći, trošeći borilačke vještine, kako bi spriječili opasnost.
Zaštitne mjere
Ćelije litijumskih baterija mogu početi imati neželjene efekte nakon prekomjernog punjenja na napon iznad 3,7V. što je veći napon prekomjernog punjenja, to je veći rizik uslijedio. Nakon što je napon litija veći od 3,7 V, broj atoma litija u materijalu katode manji je od polovine materijala katode, kada se rešetka za pohranu često urušava, što uzrokuje trajni pad kapaciteta baterije. Ako se punjenje nastavi, naknadni metal litija nakupit će se na površini negativnog materijala jer je negativna rešetka za pohranu već ispunjena atomima litija. Ovi atomi litijuma rastu u granastoj kristalizaciji s negativne površine u smjeru litijevih jona. Ovi kristali metala litijuma prolaze kroz membranski papir do kratkog spoja pozitivnog i negativnog pola. Ponekad baterija eksplodira prije kratkog spoja, jer će u procesu prekomjernog punjenja elektrolit i drugi materijali razbiti plin, uzrokujući pucanje ljuske baterije ili tlačnog ventila, omogućavajući kisiku da reagira s atomima litija nakupljenim na negativnoj površini, a zatim eksplodirati. Stoga, kada se puni litijumska baterija, moramo postaviti ograničenje napona, kako bismo istovremeno uzeli u obzir životni vijek, kapacitet i sigurnost baterije. Idealna gornja granica napona punjenja od 3,6V.
Takođe bi trebalo postojati ograničenje niskog napona za pražnjenje litijumske baterije. Kada je napon ćelije manji od 2V, dio materijala počinje se uništavati. A budući da će se baterija samoprazniti, što je baterija duže nenapunjena, napon baterije bit će niži. stoga je najbolje ne ispuštati ćelijski volt na 2V. Kapacitet pražnjenja litijumske baterije od 3,0 V do 2,8 V iznosi samo oko 3% kapaciteta baterije. Dakle, 3,0 V je idealan napon za isključivanje pražnjenja.
U procesu punjenja i pražnjenja potrebno je i ograničenje struje. Kada je struja prevelika, litijumovi joni prekasno ulaze u skladišni prostor i skupljaju se na površini materijala. Ovi litijumovi joni dobijaju elektrone, stvarajući atomsku kristalizaciju litijuma na površini materijala, kao i kod prekomjernog punjenja, što uzrokuje opasnost. U slučaju da se omotač baterije pokvari, eksplodira.
Stoga zaštita litijum-jonske baterije uključuje najmanje tri aspekta: ograničenje napona punjenja, ograničenje napona pražnjenja i ograničenje struje. Općenito, u litijumovoj bateriji, pored litijumske ćelije, bit će i sistem za upravljanje baterijama „BMS“, BMS je uglavnom uređaj koji pruža ove tri zaštite. Međutim, sistem upravljanja baterijama očito nije dovoljan. Vidjeli smo da se eksplozije litijumskih baterija događaju širom svijeta. Da bi se osigurala sigurnost sistema baterija, u nastavku se nalazi pažljivija analiza uzroka eksplozije baterije:
Razlozi eksplozije baterije:
1: veća unutrašnja polarizacija ćelije!
2: Polarna ploča upija vodu i reagira s elektrolitom.
3: Problemi s kvalitetom i performansama samog elektrolita.
4: Količina ubrizgavanja tečnosti ne zadovoljava zahtjeve procesa.
5: Loše brtvene performanse laserskog zavarivanja tijekom postupka montaže, propuštanja zraka i mjerenja propuštanja.
6: Prašinu, polarnu prašinu prvo je lako dovesti do mikro kratkog spoja, konkretan razlog je nepoznat.
7: Pozitivni i negativni sloj elektrode deblji je od opsega procesa i teško je ući u ljusku.
8: Problem injekcijskog brtvljenja i loše brtvljenje čeličnih kuglica dovodi do plinskog bubnja.
9: Materijal ljuske je debeo zid ljuske, a deformacija ljuske utječe na debljinu.
Analiza
Razlozi eksplozije litijumske baterije mogu se sažeti kaovanjski kratki spoj, ivanjski kratki spoj,iprekomjerno punjenje. Vanjski dio ovdje se odnosi na vanjski dio ćelije, uključujući kratki spoj uzrokovan lošim izolacijskim dizajnom baterijskog paketa.
Kad se spolja dogodi kratki spoj, baterija i elektronički uređaji ne uspiju prekinuti krug, unutar ćelije će se pojaviti velika vrućina, što dovodi do isparavanja nekog elektrolita i održavanja omotača baterije velikim. Kada je unutarnja temperatura baterije visoka do 135 stepeni Celzijusa, kvalitetan membranski papir zatvorit će finu rupu, elektrokemijska reakcija završava ili se gotovo završava, struja naglo opada i temperatura polako opada, izbjegavajući tako eksploziju. Međutim, brzina zatvaranja fine rupe je preniska ili će membranski papir koji se uopće ne zatvori, temperatura baterije nastaviti rasti, isparavati više elektrolita i konačno slomiti omotač baterije, pa čak i povisiti temperaturu baterije da bi se postigla materijal gori i eksplodira.
Unutrašnji kratki spoj uglavnom je uzrokovan ispupčenjem bakarne folije i aluminijumske folije ili kristalizacijom atoma litija u obliku zavoja. Ovi sitni metali nalik iglama mogu prouzročiti mikro kratki spoj. Budući da je igla vrlo fina s određenim otporom, struja neće biti jako velika. U proizvodnom procesu nastaju provrti od bakra i aluminijumske folije, uočeni fenomen je da je istjecanje akumulatora prebrzo, a većina ih može pregledati tvornica jezgra ili tvornica za montažu. Takođe, maleni ispupčenja su mala, ponekad izgorena, što bateriju vraća u normalu. Stoga vjerovatnoća eksplozije uzrokovane mikro-kratkim spojem burr nije velika.
sve fabrike litijum-jonskih ćelija naći će neke nekvalitetne baterije koje će se nakon kratkog punjenja smanjiti na volt, ali malo eksplozija, što se odnosi na statističke podatke. Stoga je eksplozija uzrokovana unutrašnjim kratkim spojem uglavnom uzrokovana prekomjernim punjenjem. Jer, prenapunjena polna ploča puna je kristalizacije metala litijuma u iglici, mjesta probijanja su posvuda, što će uzrokovati mikro kratki spoj. Stoga će temperatura akumulatora postupno rasti i konačno će visoka temperatura uzrokovati elektrolitski plin. U tom procesu, bez obzira na to hoće li visoka temperatura uzrokovati eksploziju sagorijevanja materijala, ili je ljuska prvo pukla, propustit će zrak i žestoku oksidaciju litijumskog metala, što će dovesti do eksplozije.
Ali eksplozija uzrokovana unutrašnjim kratkim spojem nije se dogodila u trenutku punjenja. Zbog toga što temperatura baterije nije previsoka da bi materijal izgorio ili proizvedeni plin nije dovoljan da slomi omotač baterije, korisnik zaustavlja punjenje. U to je vrijeme toplina koju generiraju mnogi mikro kratki spojevi polako povećavala temperaturu baterije, nakon određenog vremenskog razdoblja dogodila se eksplozija.
Na osnovu gore navedenih vrsta eksplozije,Torphantehnički tim usredotočen je na zaštitu od prekomjernog punjenja, vanjsku prevenciju kratkog spoja i poboljšanje sigurnosti ćelije radi sprječavanja eksplozije. Među njima, zaštita od prekomjernog punjenja i vanjski sprječavanje kratkog spoja pripadaju elektroničkoj zaštiti, koja je u velikoj mjeri povezana s dizajnom sistema baterija i instalacijom baterijskih sklopova. Fokus poboljšanja sigurnosti ćelija je hemijska i mehanička zaštita, koja je u velikoj mjeri povezana s proizvođačima baterijskih ćelija.
Specifikacija dizajna
Torphan sistem upravljanja baterijama može pružiti dvije sigurnosne zaštite za prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje i prekomjerno strujanje, uključujući punjač i paket baterija. Torphan punjač okreće naizmjeničnu struju i ograničava maksimalnu struju i maksimalni napon jednosmjerne struje. Zaštita baterijskog paketa sadrži dva dijela - sistem upravljanja baterijom i ćeliju baterije. Za prvu zaštitu, sustav upravljanja baterijom može komunicirati s punjačem, punjaču će poslati preporuke kao što su ograničavanje protoka i zaustavljanje punjenja, prema prikupljenim informacijama o bateriji. Kad punjač primi signal, punjač će automatski smanjiti struju punjenja ili zaustaviti punjenje. Kada se punjač ne uspije povezati sa sistemom upravljanja baterijama, sistem upravljanja baterijama odspojit će relej unutar baterije i odsjeći cijeli krug punjenja, što je druga zaštita. To znači da čak i ako krug zakaže, baterija neće biti prenapunjen i opasan.
Ukratko, tijekom dizajna sistema baterija, elektronička zaštita je prva zaštita od prekomjernog punjenja, prekomjernog pražnjenja i prekomjernog strujanja. Sistem upravljanja baterijama je druga zaštita.
Iako gore navedeni načini pružaju dvije zaštite, ponekad potrošači često kupuju neoriginalni punjač za punjenje baterija kada se punjač pokvari, tako da mogu kupiti niskokvalitetni punjač ili jedan punjač koji ne mogu komunicirati s upravljanjem baterijama. To će dovesti do prve izgubljene zaštite. Prekomjerno punjenje najvažniji je faktor eksplozije baterije, pa se inferiorni punjači mogu nazvati krivcem eksplozije baterije.
Konačna linija obrane
Ako elektronička zaštita ne uspije, ćelija će pružiti zadnju liniju obrane. Razina sigurnosti ćelije može se malo razlikovati na osnovu toga može li se ćelija odvojiti vanjskim kratkim spojem i prekomjernim punjenjem. Jer, prije nego što baterija eksplodira, atomi litija nakupljaju se iznutra na površini materijala. Štoviše, zaštita od prekomjernog punjenja često je zato što potrošači koriste lošiji punjač i imaju samo jednu liniju obrane, stoga je otpor prenapunjenosti ćelije važniji od sposobnosti da se odupru vanjskom kratkom spoju.
