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Análisis de la seguridad de las baterías de litio
- Sep 05, 2018 -

Las baterías a base de litio son el sistema de baterías de más rápido crecimiento en los últimos 20 años y ahora se usan ampliamente en productos electrónicos. La reciente explosión de teléfonos móviles y computadoras portátiles es esencialmente una explosión de la batería. Qué tipo de batería de teléfono móvil y laptop es, cómo trabajar, por qué hay una explosión, cómo evitar una explosión.

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Cuando la batería de litio se sobrecarga a un voltaje superior a 4,2 V, comenzará a tener efectos secundarios. Cuanto mayor sea el voltaje de sobrecarga, mayor será el riesgo. Cuando el voltaje de la batería de litio es superior a 4,2 V, la cantidad de átomos de litio que queda en el material del electrodo positivo es inferior a la mitad. En este momento, la celda de almacenamiento a menudo se colapsa, causando una caída permanente en la capacidad de la batería. Si la carga continúa, dado que la celda del electrodo negativo ya está llena de átomos de litio, el metal de litio subsiguiente se acumulará en la superficie del material del electrodo negativo. Estos átomos de litio crecen dendritas desde la superficie del electrodo negativo hacia la dirección de los iones de litio. Estos cristales de metal de litio pasan a través del papel separador, cortocircuitando los electrodos positivo y negativo. A veces la batería explota antes de que ocurra el cortocircuito. Esto se debe a que durante el proceso de sobrecarga, el electrolito y otros materiales se agrietarán y generarán gas, lo que provocará que la batería o la válvula de presión se bombeen y se rompan, permitiendo que el oxígeno ingrese y reaccione con los átomos de litio depositados en la superficie del electrodo negativo. Luego explotó.

Por lo tanto, al cargar una batería de litio, debe establecer el límite de voltaje superior para tener en cuenta la vida útil, la capacidad y la seguridad de la batería. La tensión de carga óptima está limitada a 4.2V. La batería de litio tiene un límite de voltaje más bajo cuando se descarga. Cuando el voltaje de la celda es inferior a 2.4V, algunos materiales comenzarán a destruirse. Dado que la batería se descargará automáticamente, el voltaje será menor durante un período de tiempo más prolongado. Por lo tanto, es mejor no ponerlo a 2.4V hasta que se detenga. Durante el período desde la descarga de 3.0V hasta la batería de litio de 2.4V, la energía liberada es solo alrededor del 3% de la capacidad de la batería. Por lo tanto, 3.0V es una tensión de corte de descarga ideal. En carga y descarga, además del límite de voltaje, también es necesaria la limitación de corriente. Cuando la corriente es demasiado grande, los iones de litio no pueden entrar en la celda y se acumularán en la superficie del material.

Cuando estos iones de litio obtienen electrones, se generan cristales de átomos de litio en la superficie del material, lo cual es peligroso como sobrecarga. En caso de que la caja de la batería esté rota, explotará. Por lo tanto, la protección de la batería de iones de litio debe incluir al menos tres factores: el límite superior de la tensión de carga, el límite inferior de la tensión de descarga y el límite superior de la corriente. En el paquete general de baterías de litio, además del núcleo de la batería de litio, habrá una placa protectora, que es principalmente para proporcionar estas tres protecciones. Sin embargo, estas tres protecciones de la placa de protección obviamente no son suficientes, y la explosión global de la batería de litio sigue siendo frecuente. Para garantizar la seguridad del sistema de la batería, se debe realizar un análisis más cuidadoso de la causa de la explosión de la batería.

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Causa de la explosión:

1. La polarización interna es grande;

2. La pieza polar absorbe agua y reacciona con el electrolito para formar un tambor de aire;

3. La calidad y el rendimiento del propio electrolito;

4. La cantidad de inyección de líquido durante la inyección no está a la altura de los requisitos del proceso;

5. El rendimiento del sellado de soldadura por láser es deficiente en el proceso de ensamblaje y la fuga de aire se detecta cuando se detecta la fuga de aire;

6, polvo, copos de polos son fáciles de causar micro cortocircuito;

7. Las hojas de electrodo positivo y negativo son más gruesas que el rango del proceso y es difícil ingresar a la carcasa;

8. Problemas de inyección y sellado, el rendimiento de sellado de la bola de acero no es bueno, lo que resulta en un tambor de aire;

9. El material de la cubierta tiene una pared gruesa y la deformación de la cubierta afecta el espesor;

La alta temperatura ambiente en el exterior es también la causa principal de la explosión.

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Tipo de explosión

Análisis del tipo de explosión El tipo de explosión del núcleo de la batería se puede resumir en cortocircuito externo, cortocircuito interno y sobrecarga. El término externo aquí se refiere al exterior de la celda e incluye un cortocircuito causado por un diseño de aislamiento deficiente de la batería. Cuando ocurre un cortocircuito fuera de la celda, y el componente electrónico no corta el circuito, se genera un alto calor dentro de la celda, lo que provoca que parte del electrolito se vaporice y la caja de la batería se agrande. Cuando la temperatura interna de la batería es tan alta como 135 grados Celsius, el papel de diafragma de buena calidad cerrará los poros, la reacción electroquímica terminará o casi terminará, la corriente caerá repentinamente y la temperatura bajará lentamente, evitando así explosión. Sin embargo, si la velocidad de cierre de los poros es demasiado baja, o el papel del separador cuyos poros no están cerrados en absoluto, la temperatura de la batería continuará aumentando, se evaporará más electrolito, y finalmente se romperá la carcasa de la batería, e incluso la temperatura de la batería será elevado a El material arde y explota. El cortocircuito interno está causado principalmente por las rebabas de la lámina de cobre y la lámina de aluminio que perforan el diafragma, o la dendrita de los átomos de litio que perforan la película de rutenio.

Estos diminutos metales en forma de aguja pueden causar micro cortocircuitos. Como la aguja es muy delgada y tiene un cierto valor de resistencia, la corriente no es necesariamente grande. Las rebabas de cobre y aluminio son causadas por el proceso de producción. El fenómeno observable es que la batería tiene fugas demasiado rápido, y la mayoría de ellas pueden ser examinadas por la fábrica de baterías o la planta de ensamblaje. Y debido a que las rebabas son pequeñas, a veces se queman y la batería vuelve a su estado normal. Por lo tanto, la probabilidad de una explosión causada por un micro cortocircuito de rebaba no es alta. De esta manera, es posible obtener una batería pobre con un voltaje bajo poco después de cargar en cada una de las celdas de la batería, pero hay poca explosión y apoyo estadístico. Por lo tanto, la explosión causada por el cortocircuito interno se debe principalmente a una sobrecarga. Porque, después de la sobrecarga, los cristales lenticulares de metal litio están en todas partes en la pieza polar, y el punto de perforación está en todas partes, y los micro cortocircuitos ocurren en todas partes. Por lo tanto, la temperatura de la batería aumentará gradualmente y, finalmente, la temperatura alta será el gas electrolito. En este caso, ya sea que la temperatura sea demasiado alta, el material se queme y explote, o la cáscara externa se rompa primero, de modo que el aire ingrese y el metal de litio se oxide violentamente, que es el final de la explosión.

Sin embargo, una explosión de este tipo causada por un cortocircuito interno causado por una sobrecarga no ocurre necesariamente en el momento de la carga. Es posible que cuando la temperatura de la batería no sea lo suficientemente alta para que el material se queme y el gas generado no sea suficiente para romper la carcasa de la batería, el consumidor termina la carga y saca el teléfono móvil. En este momento, el calor generado por los numerosos micro cortocircuitos aumenta lentamente la temperatura de la batería, y después de un período de tiempo, se produce la explosión. La descripción común de los consumidores es que cuando se toma el teléfono, se descubre que el teléfono está muy caliente y explotará después de ser desechado. En combinación con los tipos de explosiones anteriores, podemos centrarnos en la prevención de sobrecargas, la prevención de cortocircuitos externos y la seguridad de las celdas de la batería. Entre ellos, la prevención de sobrecargas y la prevención de cortocircuitos externos son la protección electrónica, que tiene una gran relación con el diseño del sistema de la batería y el conjunto de la batería. El enfoque de la mejora de la seguridad de la batería es la protección química y mecánica, que tiene una gran relación con las plantas de fabricación de baterías.

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Riesgos de seguridad

La seguridad de las baterías de iones de litio no solo está relacionada con la naturaleza del propio material de la celda, sino también con la tecnología y el uso de la preparación de la batería. Las baterías de los teléfonos móviles a menudo explotan, por un lado, debido a la falla del circuito de protección, pero lo más importante es que no hay una solución fundamental al problema en términos de materiales.

El material activo del cátodo de cobalto de litio es un sistema muy maduro en células pequeñas, pero después de la carga, una gran cantidad de iones de litio permanece en el electrodo positivo. Cuando se sobrecarga, los iones de litio que permanecen en el electrodo positivo se acumularán en el electrodo negativo. La formación de dendritas en el electrodo negativo es un resultado inevitable de la sobrecarga de una batería que usa cobalto de litio. Incluso durante la carga y descarga normales, puede haber un exceso de iones de litio liberados al electrodo negativo para formar dendritas. Relación teórica del material de litio-cobalto La energía es más de 270 mAh por gramo, pero para garantizar el rendimiento de su ciclo, la capacidad de uso real es solo la mitad de la capacidad teórica. Durante el uso, por alguna razón (como un daño en el sistema de gestión), el voltaje de carga de la batería es demasiado alto, y una parte del litio restante en el electrodo positivo se eliminará, y las dendritas se depositarán en forma de litio metálico a través de El electrolito a la superficie del electrodo negativo. Las dendritas perforan la membrana y forman un cortocircuito interno.

El componente principal del electrolito es el carbonato, que tiene un punto de inflamación bajo y un punto de ebullición bajo. Se quemará o incluso explotará bajo ciertas condiciones. Si la batería se sobrecalienta, se oxidará y reducirá el carbonato en el electrolito, y se generará una gran cantidad de gas y más calor. Si la válvula de seguridad o el gas no son suficientes para ser liberados a través de la válvula de seguridad, la presión interna de la batería aumentará bruscamente y causará una explosión.

Las baterías de polímero de litio-ion de litio no resuelven el problema de seguridad de manera fundamental. El cobalto de litio y los electrolitos orgánicos también se utilizan, y el electrolito es similar a un gel, que no es fácil de filtrar y se quemará con mayor violencia. La combustión es segura para baterías de polímero. El gran problema.

También hay algunos problemas en uso. Un cortocircuito externo o un cortocircuito interno de la batería generará una corriente excesiva de varios cientos de amperios. Cuando ocurre el cortocircuito externo, la batería descarga instantáneamente una gran corriente, que consume una gran cantidad de energía en la resistencia interna y genera una gran cantidad de calor. El cortocircuito interno forma una gran corriente, y el aumento de la temperatura hace que el diafragma se derrita, y el área del cortocircuito se agranda, formando así un círculo vicioso.

Para lograr un alto voltaje de trabajo de 3 a 4.2 V para una sola celda, una batería de ion litio debe adoptar un electrolito orgánico con un voltaje de descomposición mayor a 2 V, y el electrolito orgánico se electrolizará en condiciones de alta corriente y alta temperatura para generar gas. Esto hace que la presión interna aumente y rompa severamente la carcasa.

La sobrecarga puede precipitar el litio metálico. Cuando se rompe la carcasa, entrará en contacto directo con el aire, provocando la combustión. Al mismo tiempo, el electrolito se encenderá, se producirá una llama fuerte y el gas se expandirá y explotará rápidamente.

Además, para las baterías de iones de litio de los teléfonos móviles, la expansión de la batería, la deformación y el agrietamiento debidos a un uso inadecuado, como la extrusión, el impacto y la entrada de agua, etc., provocarán un cortocircuito en la batería, lo que provocará una explosión durante la descarga. o proceso de carga.

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Batería de litio de seguridad:

Con el fin de evitar una descarga excesiva o una sobrecarga de la batería debido a un uso inadecuado, se proporciona un mecanismo de protección triple en la batería de ión de litio de una sola celda. Primero, se utiliza el elemento de conmutación. Cuando la temperatura dentro de la batería aumenta, su valor de resistencia aumenta. Cuando la temperatura es demasiado alta, la fuente de alimentación se detendrá automáticamente. Segundo, se selecciona el material separador apropiado. Cuando la temperatura aumenta a un cierto valor, los microporos de tamaño micrométrico del separador se disolverán automáticamente, de modo que los iones de litio no pasarán y la reacción interna de la batería se detendrá. El tercero es colocar la válvula de seguridad (es decir, el orificio de ventilación en la parte superior de la batería). Cuando la presión interna de la batería aumenta hasta cierto valor, la válvula de seguridad se abre automáticamente para garantizar la seguridad de la batería.

A veces, aunque la propia batería tiene medidas de control de seguridad, si el control falla debido a algunas razones, y la válvula de seguridad o el gas no es suficiente para ser liberados a través de la válvula de seguridad, la presión interna de la batería aumentará bruscamente y causará una explosión. . En circunstancias normales, la energía total almacenada en una batería de iones de litio es inversamente proporcional a su seguridad. A medida que aumenta la capacidad de la batería, también aumenta el volumen de la batería, y su rendimiento de disipación de calor se deteriora, y la posibilidad de un accidente aumenta considerablemente. Para las baterías de iones de litio para teléfonos móviles, el requisito básico es que la probabilidad de un accidente de seguridad sea inferior a uno en un millón, que es el estándar mínimo aceptable para el público. Para baterías de iones de litio de gran capacidad, especialmente para baterías de iones de litio de gran capacidad, como los automóviles, es particularmente importante utilizar refrigeración forzada.

La elección de un material de electrodo más seguro y la selección de material de manganato de litio aseguran que el ion litio del electrodo positivo esté completamente integrado en el orificio de carbono del electrodo negativo en la estructura molecular, lo que evita fundamentalmente la generación de dendritas. Al mismo tiempo, la estructura estable del manganato de litio hace que su rendimiento de oxidación sea mucho menor que el del cobalto de litio. La temperatura de descomposición supera los 100 ° C del litio-cobalto. Incluso si el cortocircuito interno (acupuntura) debido a la fuerza externa, el cortocircuito externo, la sobrecarga, es totalmente capaz. Se evita el peligro de quemaduras y explosiones debido a la precipitación de litio metálico.

Además, el uso de materiales de manganato de litio también puede reducir significativamente los costos.

Para mejorar el rendimiento de la tecnología de control de seguridad existente, primero es necesario mejorar el rendimiento de seguridad de las celdas de las baterías de iones de litio, lo que es especialmente importante para las baterías de gran capacidad. Se selecciona el separador con buen rendimiento de apagado térmico. La función del separador es permitir el paso de iones de litio mientras se aíslan los electrodos positivos y negativos de la batería. Cuando la temperatura aumenta, se cierra antes de que se funda el separador, de modo que la resistencia interna aumenta a 2000 ohmios y la reacción interna se detiene. Cuando la presión o temperatura interna alcance el estándar preestablecido, la válvula a prueba de explosión se abrirá y comenzará a liberar la presión para evitar la acumulación excesiva de gas interno, la deformación y, eventualmente, la explosión de la carcasa. Mejore la sensibilidad de control, seleccione parámetros de control más sensibles y combine el control con múltiples parámetros (esto es especialmente importante para las baterías de alta capacidad). Para paquetes de baterías de iones de litio de gran capacidad, se compone de varias celdas en serie / paralelo. Por ejemplo, el voltaje de una computadora portátil es de 10 V o más, y la capacidad es grande. En general, se pueden conectar de 3 a 4 celdas individuales en serie para cumplir con el requisito de voltaje, y luego las baterías de 2 ~ 3 series se conectan en paralelo para garantizar una gran capacidad.

El paquete de baterías de gran capacidad en sí debe tener una función de protección relativamente completa. También se deben considerar dos módulos de placa de circuito: el módulo PCB de la placa de protección y el módulo de placa de medidor de batería inteligente. El diseño completo de protección de la batería incluye: IC de protección de nivel 1 (para evitar la sobrecarga de la batería, sobrecarga, cortocircuito), IC de protección de nivel 2 (para evitar la segunda sobretensión), fusibles, indicaciones de LED, ajuste de temperatura y otros componentes. Bajo el mecanismo de protección multinivel, incluso en el caso de cargadores de energía y computadoras portátiles anormales, la batería de la computadora portátil solo puede cambiarse al estado de protección automática. Si la situación no es grave, seguirá funcionando normalmente después de volver a enchufarlo. Se producirá una explosión.

La tecnología subyacente utilizada en las baterías de iones de litio que se usan en las computadoras portátiles y los teléfonos celulares no es segura y requiere una estructura más segura.

En resumen, con el avance de la tecnología de materiales y la creciente comprensión de los requisitos para el diseño, fabricación, prueba y uso de baterías de iones de litio, las baterías de iones de litio en el futuro serán más seguras.


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