تدابير الحماية وأسباب انفجار بطاريات الليثيوم أيون

تعد بطاريات الليثيوم أسرع أنظمة البطاريات نموًا خلال العشرين عامًا الماضية وتستخدم على نطاق واسع في المنتجات الإلكترونية. إن الانفجار الأخير للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة هو في الأساس انفجار للبطاريات. كيف تبدو بطاريات الهاتف الخليوي والكمبيوتر المحمول، وكيف تعمل، ولماذا تنفجر، وكيفية تجنبها.

تبدأ الآثار الجانبية بالحدوث عندما يتم شحن خلية الليثيوم بجهد أعلى من 4.2 فولت. كلما زاد ضغط الشحن الزائد، زادت المخاطر. عند الفولتية الأعلى من 4.2 فولت، عندما يتم ترك أقل من نصف ذرات الليثيوم في مادة الكاثود، غالبًا ما تنهار خلية التخزين، مما يتسبب في انخفاض دائم في سعة البطارية. إذا استمر الشحن، فسوف تتراكم معادن الليثيوم اللاحقة على سطح مادة الكاثود، نظرًا لأن خلية تخزين الكاثود مليئة بالفعل بذرات الليثيوم. تقوم ذرات الليثيوم هذه بتنمية بلورات شجرية من سطح الكاثود في اتجاه أيونات الليثيوم. سوف تمر بلورات الليثيوم من خلال ورقة الحجاب الحاجز، مما يؤدي إلى تقصير الأنود والكاثود. في بعض الأحيان تنفجر البطارية قبل حدوث ماس كهربائي. وذلك لأنه أثناء عملية الشحن الزائد، تتكسر مواد مثل الإلكتروليتات لإنتاج غاز يتسبب في تضخم وانفجار غلاف البطارية أو صمام الضغط، مما يسمح للأكسجين بالتفاعل مع ذرات الليثيوم المتراكمة على سطح القطب السالب والانفجار.

لذلك، عند شحن بطارية الليثيوم، من الضروري ضبط الحد الأعلى للجهد، مع مراعاة عمر البطارية وقدرتها وسلامتها. الحد الأعلى المثالي لجهد الشحن هو 4.2 فولت. يجب أن يكون هناك أيضًا حد جهد أقل عند تفريغ خلايا الليثيوم. عندما ينخفض ​​جهد الخلية إلى أقل من 2.4 فولت، تبدأ بعض المواد في الانهيار. ولأن البطارية سوف تقوم بالتفريغ الذاتي، كلما زاد الجهد الكهربي كلما انخفض، لذلك، من الأفضل عدم تفريغ 2.4 فولت للتوقف. من 3.0 فولت إلى 2.4 فولت، تطلق بطاريات الليثيوم حوالي 3% فقط من سعتها. ولذلك، 3.0V هو الجهد المثالي لقطع التفريغ. عند الشحن والتفريغ، بالإضافة إلى حد الجهد، فإن الحد الحالي ضروري أيضًا. عندما يكون التيار مرتفعًا جدًا، لن يكون لدى أيونات الليثيوم الوقت الكافي لدخول خلية التخزين، وسوف تتراكم على سطح المادة.

عندما تكتسب هذه الأيونات إلكترونات، فإنها تتبلور ذرات الليثيوم على سطح المادة، الأمر الذي يمكن أن يكون خطيرًا مثل الشحن الزائد. إذا انكسرت علبة البطارية، فسوف تنفجر. لذلك، يجب أن تشمل حماية بطارية أيون الليثيوم على الأقل الحد الأعلى لجهد الشحن والحد الأدنى لجهد التفريغ والحد الأعلى للتيار. بشكل عام، بالإضافة إلى قلب بطارية الليثيوم، ستكون هناك لوحة حماية، والتي تهدف بشكل أساسي إلى توفير هذه الحماية الثلاثة. ومع ذلك، من الواضح أن لوحة الحماية لهذه الحماية الثلاثة ليست كافية، أو أحداث انفجار بطارية الليثيوم العالمية أو المتكررة. لضمان سلامة أنظمة البطاريات، هناك حاجة إلى تحليل أكثر دقة لسبب انفجارات البطاريات.

سبب الانفجار:

1. استقطاب داخلي كبير.

2. قطعة القطب تمتص الماء وتتفاعل مع أسطوانة غاز المنحل بالكهرباء.

3. جودة وأداء المنحل بالكهرباء نفسه؛

4. كمية حقن السائل لا يمكن أن تلبي متطلبات العملية؛

5. أداء ختم اللحام بالليزر ضعيف في عملية التحضير، وتم اكتشاف تسرب الهواء.

6. من السهل أن يتسبب الغبار وغبار قطعة القطب في حدوث دائرة قصر صغيرة أولاً؛

7. لوحة إيجابية وسلبية أكثر سمكا من نطاق العملية، من الصعب أن قذيفة؛

8. مشكلة الختم لحقن السائل، أداء الختم الضعيف للكرة الفولاذية يؤدي إلى أسطوانة الغاز.

9. جدار قشرة المواد الواردة سميك جدًا، ويؤثر تشوه القشرة على السماكة؛

10. ارتفاع درجة الحرارة المحيطة بالخارج هو أيضًا السبب الرئيسي للانفجار.

نوع الانفجار

تحليل نوع الانفجار يمكن تصنيف أنواع الانفجار الأساسي للبطارية إلى ماس كهربائى خارجي، وماس كهربائى داخلي، وشحن زائد. يشير الجزء الخارجي هنا إلى الجزء الخارجي للخلية، بما في ذلك الدائرة القصيرة الناتجة عن التصميم العازل السيئ لحزمة البطارية الداخلية. عندما يحدث ماس كهربائي خارج الخلية، وتفشل المكونات الإلكترونية في قطع الحلقة، ستولد الخلية حرارة عالية بالداخل، مما يتسبب في تبخر جزء من الإلكتروليت، وهو غلاف البطارية. عندما تكون درجة الحرارة الداخلية للبطارية مرتفعة إلى 135 درجة مئوية، فإن ورق الحجاب الحاجز ذو النوعية الجيدة سوف يغلق الفتحة الدقيقة، وينتهي التفاعل الكهروكيميائي أو يكاد ينتهي، وينخفض ​​التيار، وتنخفض درجة الحرارة أيضًا ببطء، وبالتالي تجنب الانفجار. . لكن ورق الحجاب الحاجز ذو معدل إغلاق ضعيف، أو الذي لا يغلق على الإطلاق، سوف يحافظ على دفء البطارية، ويتبخر المزيد من الإلكتروليت، وفي النهاية يؤدي إلى انفجار غلاف البطارية، أو حتى رفع درجة حرارة البطارية إلى النقطة التي تحترق فيها المادة وينفجر. يحدث قصر الدائرة الداخلية بشكل رئيسي بسبب ثقب رقائق النحاس ورقائق الألومنيوم في الحجاب الحاجز، أو البلورات التغصنية لذرات الليثيوم التي تخترق الحجاب الحاجز.

يمكن لهذه المعادن الصغيرة التي تشبه الإبرة أن تسبب دوائر قصيرة للغاية. نظرًا لأن الإبرة رفيعة جدًا ولها قيمة مقاومة معينة، فإن التيار ليس بالضرورة كبيرًا جدًا. نتوءات رقائق الألومنيوم النحاسية تحدث في عملية الإنتاج. الظاهرة المرصودة هي أن البطارية تتسرب بسرعة كبيرة، ويمكن أن يتم فحص معظمها بواسطة مصانع الخلايا أو مصانع التجميع. ولأن النتوءات صغيرة، فإنها تحترق أحيانًا، مما يعيد البطارية إلى وضعها الطبيعي. ولذلك، فإن احتمال الانفجار الناجم عن ماس كهربائى صغير لدغ ليس مرتفعا. مثل هذا الرأي، يمكن شحنه في كثير من الأحيان من داخل كل مصنع خلية، والجهد على البطارية السيئة المنخفضة، ولكن نادرًا ما ينفجر، يحصل على دعم إحصائي. ولذلك، فإن الانفجار الناجم عن ماس كهربائى داخلي يحدث بشكل رئيسي بسبب الشحن الزائد. نظرًا لوجود بلورات معدن الليثيوم التي تشبه الإبرة في كل مكان على لوحة القطب الخلفي المشحونة بشكل زائد، فإن نقاط الثقب موجودة في كل مكان، وتحدث دائرة قصر صغيرة في كل مكان. ولذلك، فإن درجة حرارة الخلية سوف ترتفع تدريجيا، وأخيرا سوف ارتفاع درجة الحرارة الغاز المنحل بالكهرباء. هذا الوضع، سواء كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا بحيث لا تؤدي إلى انفجار احتراق المواد، أو تم كسر القشرة لأول مرة، بحيث يكون الهواء الموجود داخل وأكسدة معدن الليثيوم العنيفة، هي نهاية الانفجار.

لكن مثل هذا الانفجار، الناتج عن ماس كهربائي داخلي ناتج عن الشحن الزائد، لا يحدث بالضرورة في وقت الشحن. من الممكن أن يتوقف المستهلكون عن الشحن ويخرجون هواتفهم قبل أن تصبح البطارية ساخنة بدرجة كافية لحرق المواد وإنتاج ما يكفي من الغاز لتفجير غلاف البطارية. تعمل الحرارة الناتجة عن العديد من الدوائر القصيرة على تسخين البطارية ببطء، وبعد مرور بعض الوقت، تنفجر. الوصف الشائع للمستهلكين هو أنهم التقطوا الهاتف ووجدوه ساخنًا جدًا، ثم ألقوا به جانبًا وانفجر. بناءً على أنواع الانفجارات المذكورة أعلاه، يمكننا التركيز على منع الشحن الزائد، ومنع حدوث ماس كهربائي خارجي، وتحسين سلامة الخلية. من بينها، منع الشحن الزائد والدوائر القصيرة الخارجية ينتمي إلى الحماية الإلكترونية، والتي ترتبط بشكل كبير بتصميم نظام البطارية وحزمة البطارية. النقطة الأساسية لتحسين سلامة الخلايا هي الحماية الكيميائية والميكانيكية، والتي لها علاقة كبيرة مع الشركات المصنعة للخلايا.

مشكلة مخفية آمنة

لا تتعلق سلامة بطارية الليثيوم أيون بطبيعة مادة الخلية نفسها فحسب، بل تتعلق أيضًا بتقنية التحضير واستخدام البطارية. تنفجر بطاريات الهواتف المحمولة بشكل متكرر، من ناحية، بسبب فشل دائرة الحماية، ولكن الأهم من ذلك، أن الجانب المادي لم يحل المشكلة بشكل أساسي.

تعد المادة النشطة لكاثود الليثيوم حمض الكوبالت نظامًا ناضجًا جدًا في البطاريات الصغيرة، ولكن بعد الشحن الكامل، لا يزال هناك الكثير من أيونات الليثيوم في الأنود، عند الشحن الزائد، من المتوقع أن يتدفق أيون الليثيوم المتبقي في الأنود إلى الأنود ، يتم تشكيلها على التشعبات الكاثود باستخدام بطارية الليثيوم حمض الكوبالت فاحش نتيجة طبيعية، حتى في عملية الشحن والتفريغ العادية، قد يكون هناك أيضًا أيونات الليثيوم الزائدة الحرة إلى القطب السالب لتشكيل التشعبات. تبلغ الطاقة النظرية المحددة لمادة كوبالات الليثيوم أكثر من 270 مللي أمبير/جرام، لكن السعة الفعلية لا تزيد عن نصف السعة النظرية فقط لضمان أداء ركوب الدراجات. أثناء الاستخدام، لسبب ما (مثل تلف نظام الإدارة) ويكون جهد شحن البطارية مرتفعًا جدًا، ستتم إزالة الجزء المتبقي من الليثيوم في القطب الموجب، من خلال المنحل بالكهرباء إلى سطح القطب السالب في شكل ترسيب معدن الليثيوم لتكوين التشعبات. تخترق التشعبات الحجاب الحاجز، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي.

المكون الرئيسي للإلكتروليت هو الكربونات، التي لها نقطة وميض منخفضة ونقطة غليان منخفضة. سوف يحترق أو حتى ينفجر في ظل ظروف معينة. إذا ارتفعت درجة حرارة البطارية، فسوف يؤدي ذلك إلى أكسدة وتقليل الكربونات الموجودة في المنحل بالكهرباء، مما يؤدي إلى الكثير من الغاز والمزيد من الحرارة. إذا لم يكن هناك صمام أمان أو لم يتم إطلاق الغاز من خلال صمام الأمان، فإن الضغط الداخلي للبطارية سيرتفع بشكل حاد ويتسبب في انفجار.

بطارية ليثيوم أيون البوليمر بالكهرباء لا تحل مشكلة السلامة بشكل أساسي، كما يتم استخدام حمض الكوبالت الليثيوم والكهارل العضوي، والكهارل غروانية، وليس من السهل تسربها، وسوف يحدث احتراق أكثر عنفًا، والاحتراق هو أكبر مشكلة تتعلق بسلامة بطارية البوليمر.

هناك أيضًا بعض المشكلات المتعلقة باستخدام البطارية. يمكن أن تنتج دائرة كهربائية قصيرة خارجية أو داخلية بضع مئات من الأمبيرات من التيار الزائد. عند حدوث ماس كهربائي خارجي، تقوم البطارية بتفريغ تيار كبير على الفور، مما يستهلك كمية كبيرة من الطاقة ويولد حرارة هائلة على المقاومة الداخلية. تشكل الدائرة القصيرة الداخلية تيارًا كبيرًا، وترتفع درجة الحرارة، مما يتسبب في ذوبان الحجاب الحاجز وتوسيع منطقة الدائرة القصيرة، وبالتالي تشكيل حلقة مفرغة.

بطارية ليثيوم أيون من أجل تحقيق جهد عمل عالي لخلية واحدة 3 ~ 4.2 فولت، يجب أن تأخذ تحلل الجهد أكبر من 2 فولت بالكهرباء العضوية، واستخدام المنحل بالكهرباء العضوي في التيار العالي، سيتم تحليل ظروف درجات الحرارة المرتفعة كهربائيا. الغاز، مما أدى إلى زيادة الضغط الداخلي، سوف يخترق القذيفة بشكل خطير.

قد يؤدي الشحن الزائد إلى ترسيب معدن الليثيوم، في حالة تمزق القشرة، الاتصال المباشر بالهواء، مما يؤدي إلى الاحتراق، في نفس الوقت اشتعال المنحل بالكهرباء، لهب قوي، التوسع السريع للغاز، انفجار.

بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لبطارية الليثيوم أيون للهاتف المحمول، بسبب الاستخدام غير السليم، مثل البثق والتأثير واستهلاك الماء، يؤدي ذلك إلى تمدد البطارية وتشوهها وتكسيرها، وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى ماس كهربائي للبطارية، أثناء عملية التفريغ أو الشحن. عن طريق الانفجار الحراري.

سلامة بطاريات الليثيوم:

من أجل تجنب التفريغ الزائد أو الشحن الزائد الناتج عن الاستخدام غير السليم، تم ضبط آلية الحماية الثلاثية في بطارية ليثيوم أيون واحدة. الأول هو استخدام عناصر التبديل، عندما ترتفع درجة حرارة البطارية، سترتفع مقاومتها، وعندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا، ستتوقف إمداد الطاقة تلقائيًا؛ والثاني هو اختيار مادة القسم المناسبة، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى قيمة معينة، ستذوب مسام الميكرون الموجودة على القسم تلقائيًا، بحيث لا تتمكن أيونات الليثيوم من المرور، ويتوقف التفاعل الداخلي للبطارية؛ والثالث هو إعداد صمام الأمان (أي فتحة التهوية الموجودة أعلى البطارية). عندما يرتفع الضغط الداخلي للبطارية إلى قيمة معينة، سيتم فتح صمام الأمان تلقائيًا لضمان سلامة البطارية.

في بعض الأحيان، على الرغم من أن البطارية نفسها تحتوي على إجراءات للتحكم في السلامة، ولكن بسبب بعض الأسباب الناجمة عن فشل التحكم، فإن عدم وجود صمام أمان أو عدم وجود وقت لتحرير الغاز من خلال صمام الأمان، فإن الضغط الداخلي للبطارية سيرتفع بشكل حاد ويسبب انفجار. بشكل عام، يتناسب إجمالي الطاقة المخزنة في بطاريات الليثيوم أيون عكسًا مع سلامتها. مع زيادة سعة البطارية، يزداد حجم البطارية أيضًا، ويتدهور أداء تبديد الحرارة، وتزداد احتمالية وقوع الحوادث بشكل كبير. بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في الهواتف المحمولة، فإن الشرط الأساسي هو أن يكون احتمال وقوع حوادث السلامة أقل من واحد في المليون، وهو أيضًا الحد الأدنى المقبول للجمهور. بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون ذات السعة الكبيرة، خاصة للسيارات، من المهم جدًا اعتماد تبديد الحرارة القسري.

اختيار مواد قطب كهربائي أكثر أمانًا، مادة أكسيد المنغنيز الليثيوم، من حيث التركيب الجزيئي لضمان أنه في حالة الشحن الكامل، تم دمج أيونات الليثيوم في القطب الموجب بالكامل في ثقب الكربون السالب، وتجنب بشكل أساسي توليد التشعبات. في الوقت نفسه، فإن الهيكل المستقر لحمض الليثيوم المنغنيز، بحيث يكون أداء الأكسدة أقل بكثير من حمض الكوبالت الليثيوم، ودرجة حرارة تحلل حمض الكوبالت الليثيوم أكثر من 100 درجة مئوية، حتى بسبب ماس كهربائى خارجي خارجي (الإبر)، خارجي يمكن أيضًا أن تتجنب الدائرة القصيرة والشحن الزائد تمامًا خطر الاحتراق والانفجار الناجم عن معدن الليثيوم المترسب.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مادة منجنات الليثيوم يمكن أن يقلل التكلفة بشكل كبير.

لتحسين أداء تكنولوجيا التحكم في السلامة الحالية، يجب علينا أولاً تحسين أداء سلامة نواة بطارية أيون الليثيوم، وهو أمر مهم بشكل خاص للبطاريات ذات السعة الكبيرة. اختر حاجزًا يتمتع بأداء إغلاق حراري جيد. ويتمثل دور الحجاب الحاجز في عزل القطبين الموجب والسالب للبطارية مع السماح بمرور أيونات الليثيوم. وعندما ترتفع درجة الحرارة، يُغلق الغشاء قبل أن يذوب، مما يرفع المقاومة الداخلية إلى 2000 أوم ويوقف التفاعل الداخلي. عندما يصل الضغط الداخلي أو درجة الحرارة إلى المعيار المحدد مسبقًا، سيتم فتح الصمام المقاوم للانفجار ويبدأ في تخفيف الضغط لمنع التراكم المفرط للغاز الداخلي، والتشوه، ويؤدي في النهاية إلى انفجار القشرة. قم بتحسين حساسية التحكم، وحدد معلمات تحكم أكثر حساسية واعتماد التحكم المشترك لمعلمات متعددة (وهو أمر مهم بشكل خاص للبطاريات ذات السعة الكبيرة). بالنسبة لحزمة بطارية أيون الليثيوم ذات السعة الكبيرة، فهي عبارة عن تكوين متعدد الخلايا متسلسل/متوازي، مثل جهد الكمبيوتر المحمول أكثر من 10 فولت، وسعة كبيرة، بشكل عام باستخدام 3 إلى 4 سلاسل بطاريات مفردة يمكن أن تلبي متطلبات الجهد، ثم 2 إلى 3 سلاسل من حزمة البطارية موازية، وذلك لضمان سعة كبيرة.

يجب أن تكون حزمة البطارية ذات السعة العالية نفسها مجهزة بوظيفة حماية مثالية نسبيًا، ويجب أيضًا مراعاة نوعين من وحدات لوحات الدوائر: وحدة ProtecTIonBoardPCB ووحدة SmartBatteryGaugeBoard. يشتمل تصميم حماية البطارية بالكامل على: حماية IC من المستوى 1 (منع الشحن الزائد للبطارية، والتفريغ الزائد، والدائرة القصيرة)، وحماية IC من المستوى 2 (منع الجهد الزائد الثاني)، والصمام، ومؤشر LED، وتنظيم درجة الحرارة والمكونات الأخرى. في ظل آلية الحماية متعددة المستويات، حتى في حالة شاحن الطاقة غير الطبيعي والكمبيوتر المحمول، لا يمكن تحويل بطارية الكمبيوتر المحمول إلا إلى حالة الحماية التلقائية. إذا لم تكن الحالة خطيرة، فغالبًا ما يعمل بشكل طبيعي بعد توصيله وإزالته دون انفجار.

إن التكنولوجيا الأساسية المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة غير آمنة، ويجب النظر في هياكل أكثر أمانًا.

في الختام، مع تقدم تكنولوجيا المواد وتعميق فهم الناس لمتطلبات تصميم وتصنيع واختبار واستخدام بطاريات الليثيوم أيون، سيصبح مستقبل بطاريات الليثيوم أيون أكثر أمانًا.