אמצעי הגנה וגורמי פיצוץ של סוללות ליתיום יון

סוללות ליתיום הן מערכת הסוללות הצומחת ביותר ב-20 השנים האחרונות ונמצאות בשימוש נרחב במוצרים אלקטרוניים. הפיצוץ האחרון של טלפונים ניידים ומחשבים ניידים הוא בעצם פיצוץ סוללה. איך נראות סוללות טלפונים סלולריים ומחשב נייד, איך הן פועלות, למה הן מתפוצצות ואיך להימנע מהן.

תופעות הלוואי מתחילות להתרחש כאשר תא הליתיום מוטען יתר על המידה למתח גבוה מ-4.2V. ככל שלחץ הטעינה גבוה יותר, כך הסיכון גבוה יותר. במתחים גבוהים מ-4.2V, כאשר נותרים פחות ממחצית אטומי הליתיום בחומר הקתודה, תא האחסון קורס לעיתים קרובות, מה שגורם לירידה קבועה בקיבולת הסוללה. אם הטעינה תימשך, מתכות ליתיום עוקבות ייערמו על פני חומר הקתודה, שכן תא האחסון של הקתודה כבר מלא באטומי ליתיום. אטומי ליתיום אלו מגדלים גבישים דנדריטים ממשטח הקתודה לכיוון יוני הליתיום. גבישי הליתיום יעברו דרך נייר הסרעפת, ויקצרו את האנודה והקתודה. לפעמים הסוללה מתפוצצת לפני שמתרחש קצר חשמלי. הסיבה לכך היא שבמהלך תהליך טעינת היתר, חומרים כמו אלקטרוליטים נסדקים כדי לייצר גז שגורם למעטפת הסוללה או לשסתום הלחץ להתנפח ולהתפוצץ, מה שמאפשר לחמצן להגיב עם אטומי ליתיום המצטברים על פני האלקטרודה השלילית ולהתפוצץ.

לכן, בעת טעינת סוללת ליתיום, יש צורך להגדיר את גבול המתח העליון, כדי לקחת בחשבון את חיי הסוללה, הקיבולת והבטיחות. הגבול העליון של מתח הטעינה האידיאלי הוא 4.2V. כמו כן, צריכה להיות גבול מתח נמוך יותר כאשר תאי ליתיום נפרקים. כאשר מתח התא יורד מתחת ל-2.4V, חלק מהחומר מתחיל להתקלקל. ובגלל שהסוללה תתפרק מעצמה, נניח ככל שהמתח יהיה נמוך יותר, לכן, עדיף לא לפרוק 2.4V כדי להפסיק. מ-3.0V ל-2.4V, סוללות ליתיום משחררות רק כ-3% מהקיבולת שלהן. לכן, 3.0V הוא מתח ניתוק פריקה אידיאלי. בעת טעינה ופריקה, בנוסף למגבלת המתח, נחוצה גם מגבלת הזרם. כאשר הזרם גבוה מדי, ליוני ליתיום אין זמן להיכנס לתא האחסון, יצטברו על פני החומר.

כאשר יונים אלו צוברים אלקטרונים, הם מגבשים אטומי ליתיום על פני החומר, דבר שעלול להיות מסוכן כמו טעינת יתר. אם מארז הסוללה נשבר, הוא יתפוצץ. לכן, ההגנה על סוללת ליתיום יון צריכה לכלול לפחות את הגבול העליון של מתח הטעינה, הגבול התחתון של מתח הפריקה והגבול העליון של הזרם. באופן כללי, בנוסף לליבת סוללת הליתיום, תהיה לוחית הגנה, שנועדה בעיקר לספק את שלושת ההגנה הללו. עם זאת, לוחית ההגנה של שלושת ההגנה הללו אינה מספיקה כמובן, אירועי פיצוץ סוללת ליתיום גלובליים או תכופים. כדי להבטיח את בטיחותן של מערכות סוללות, יש צורך בניתוח זהיר יותר של הגורם לפיצוצים בסוללה.

סיבת הפיצוץ:

1. קיטוב פנימי גדול;

2. חתיכת המוט סופג מים ומגיב עם תוף הגז האלקטרוליט;

3. האיכות והביצועים של האלקטרוליט עצמו;

4. כמות הזרקת הנוזל אינה יכולה לעמוד בדרישות התהליך;

5. ביצועי איטום ריתוך הלייזר גרועים בתהליך ההכנה, ומזוהה דליפת אוויר.

6. אבק ואבק חלקי קוטב קלים לגרום למיקרו קצר תחילה;

7. לוח חיובי ושלילי עבה יותר מטווח התהליך, קשה לקליפה;

8. בעיית איטום של הזרקת נוזלים, ביצועי איטום גרועים של כדור פלדה מובילים לתוף גז;

9.Chell חומר נכנס קיר מעטפת עבה מדי, עיוות מעטפת משפיע על העובי;

10. טמפרטורת הסביבה הגבוהה בחוץ היא גם הסיבה העיקרית לפיצוץ.

סוג הפיצוץ

ניתוח סוג פיצוץ ניתן לסווג סוגי פיצוץ ליבת הסוללה כקצר חשמלי חיצוני, קצר חשמלי פנימי וטעינת יתר. החיצוני כאן מתייחס לחלק החיצוני של התא, כולל הקצר הנגרם על ידי תכנון בידוד לקוי של ערכת הסוללות הפנימית. כאשר מתרחש קצר חשמלי מחוץ לתא, והרכיבים האלקטרוניים לא מצליחים לנתק את הלולאה, התא יפיק חום גבוה בפנים, ויגרום לאידוי חלק מהאלקטרוליט, מעטפת הסוללה. כאשר הטמפרטורה הפנימית של הסוללה גבוהה עד 135 מעלות צלזיוס, נייר הסרעפת באיכות טובה יסגור את החור העדין, התגובה האלקטרוכימית נפסקת או כמעט נפסקת, הזרם צולל, וגם הטמפרטורה יורדת לאט ובכך תמנע את הפיצוץ . אבל נייר דיאפרגמה עם קצב סגירה גרוע, או כזה שלא נסגר בכלל, ישמור על הסוללה חמה, יאדה יותר אלקטרוליט ובסופו של דבר יפוצץ את מעטפת הסוללה, או אפילו יעלה את טמפרטורת הסוללה עד לנקודה שבה החומר נשרף. ומתפוצץ. הקצר הפנימי נגרם בעיקר על ידי חריץ של רדיד נחושת ורדיד אלומיניום חודר את הסרעפת, או הגבישים הדנדריטים של אטומי הליתיום החודרים את הסרעפת.

מתכות זעירות דמויות מחט אלו עלולות לגרום למעגלים מיקרו קצרים. מכיוון שהמחט דקה מאוד ובעלת ערך התנגדות מסוים, הזרם לא בהכרח גדול מאוד. הקוצים של רדיד אלומיניום נחושת נגרמים בתהליך הייצור. התופעה הנצפית היא שהסוללה דולפת מהר מדי, ואת רובן ניתן לסנן על ידי מפעלי תאים או מפעלי הרכבה. ומכיוון שהקוצים קטנים, לפעמים הם נשרפים, מה שהופך את הסוללה למצב רגיל. לכן, ההסתברות לפיצוץ הנגרם כתוצאה מקצר חשמלי מיקרו אינה גבוהה. נוף כזה, יכול לעתים קרובות לטעון מבפנים של כל מפעל תאים, המתח על הסוללה רעה נמוכה, אך לעתים רחוקות פיצוץ, לקבל תמיכה סטטיסטית. לכן, הפיצוץ הנגרם מקצר פנימי נגרם בעיקר מטעינת יתר. מכיוון שיש גבישי מתכת ליתיום דמויי מחט בכל מקום על יריעת האלקטרודה האחורית הטעינה יתר על המידה, נקודות ניקוב נמצאות בכל מקום, ומיקרו קצר חשמלי מתרחש בכל מקום. לכן, טמפרטורת התא תעלה בהדרגה, ולבסוף הטמפרטורה הגבוהה תגרום לגז אלקטרוליט. מצב זה, בין אם הטמפרטורה גבוהה מכדי לגרום לשריפת החומר להתפוצץ, או שהקליפה נשברה לראשונה, כך שהאוויר פנימה וחמצון עז של מתכת ליתיום, הם סוף הפיצוץ.

אבל פיצוץ כזה, הנגרם מקצר פנימי שנגרם מטעינת יתר, לא בהכרח מתרחש בזמן הטעינה. ייתכן שצרכנים יפסיקו לטעון ויוציאו את הטלפונים שלהם לפני שהסוללה חמה מספיק כדי לשרוף חומרים ולייצר מספיק גז כדי לפוצץ את מעטפת הסוללה. החום שנוצר מהקצרים הרבים מחמם את הסוללה לאט ולאחר זמן מה, מתפוצץ. התיאור הנפוץ של צרכנים הוא שהם הרימו את הטלפון ומצאו שהוא חם מאוד, ואז זרקו אותו והתפוצצו. בהתבסס על סוגי הפיצוץ הנ"ל, נוכל להתמקד במניעת טעינת יתר, מניעת קצר חשמלי חיצוני, ולשפר את בטיחות התא. ביניהם, מניעת טעינת יתר וקצר חיצוני שייכת להגנה אלקטרונית, הקשורה מאוד לתכנון מערכת הסוללות ומארז הסוללות. נקודת המפתח של שיפור בטיחות התאים היא הגנה כימית ומכאנית, שיש לה קשר נהדר עם יצרני תאים.

בעיה נסתרת בטוחה

הבטיחות של סוללת ליתיום יון אינה קשורה רק לאופי החומר התא עצמו, אלא קשורה גם לטכנולוגיית ההכנה והשימוש בסוללה. סוללות טלפונים ניידים מתפוצצות לעיתים תכופות, מצד אחד, עקב כשל במעגל ההגנה, אך חשוב מכך, ההיבט החומרי לא פתר את הבעיה באופן יסודי.

חומר פעיל של קתודה ליתיום חומצת קובלט היא מערכת מאוד בוגרת בסוללות קטנות, אך לאחר טעינה מלאה, עדיין יש הרבה יוני ליתיום באנודה, כאשר טעינת יתר, הנותרים באנודה של יון ליתיום צפויים לנהור אל האנודה , נוצר על הקתודה דנדריט משתמש בסוללת ליתיום חומצת קובלט כתוצאה מטעינת יתר, אפילו בתהליך הטעינה והפריקה הרגילים, ייתכנו גם יוני ליתיום עודפים ללא אלקטרודה השלילית ליצירת דנדריטים. האנרגיה הספציפית התיאורטית של חומר ליתיום קובלט היא יותר מ-270 מאה/גרם, אך הקיבולת בפועל היא רק מחצית מהיכולת התיאורטית כדי להבטיח את ביצועי הרכיבה שלו. בתהליך השימוש, מסיבה כלשהי (כגון נזק למערכת הניהול) ומתח הטעינה של הסוללה גבוה מדי, יתרת הליתיום באלקטרודה החיובית יוסר, דרך האלקטרוליט אל משטח האלקטרודה השלילית ב צורה של שקיעת מתכת ליתיום ליצירת דנדריטים. דנדריטים חודרים את הסרעפת ויוצרים קצר חשמלי פנימי.

המרכיב העיקרי של האלקטרוליט הוא קרבונט, בעל נקודת הבזק נמוכה ונקודת רתיחה נמוכה. זה יישרף או אפילו יתפוצץ בתנאים מסוימים. אם הסוללה תתחמם יתר על המידה, זה יוביל לחמצון והפחתה של הקרבונט באלקטרוליט, וכתוצאה מכך הרבה גזים ויותר חום. אם אין שסתום בטיחות או שהגז לא משתחרר דרך שסתום הבטיחות, הלחץ הפנימי של המצבר יעלה בחדות ויגרום לפיצוץ.

סוללת ליתיום יון פולימר אלקטרוליט אינה פותרת ביסודה את בעיית הבטיחות, נעשה שימוש גם בחומצת ליתיום קובלט ואלקטרוליט אורגני, והאלקטרוליט הוא קולואידי, לא קל לדלוף, תתרחש בעירה אלימה יותר, בעירה היא הבעיה הגדולה ביותר של בטיחות סוללת פולימר.

יש גם כמה בעיות בשימוש בסוללה. קצר חשמלי חיצוני או פנימי יכול לייצר כמה מאות אמפר של זרם מופרז. כאשר מתרחש קצר חשמלי חיצוני, הסוללה מפרקת זרם גדול באופן מיידי, צורכת כמות גדולה של אנרגיה ויוצרת חום עצום על ההתנגדות הפנימית. הקצר הפנימי יוצר זרם גדול, והטמפרטורה עולה, מה שגורם להמסת הסרעפת ולאזור הקצר להתרחב, וכך נוצר מעגל קסמים.

סוללת ליתיום יון על מנת להשיג תא בודד 3 ~ 4.2V מתח עבודה גבוה, חייבת לקחת את הפירוק של המתח גדול מ-2V אלקטרוליט אורגני, והשימוש באלקטרוליט אורגני בזרם גבוה, תנאי טמפרטורה גבוהים יהיה אלקטרוליזה, אלקטרוליטי גז, וכתוצאה מכך לחץ פנימי מוגבר, רציני יפרוץ את הקליפה.

טעינת יתר עלולה לזרז מתכת ליתיום, במקרה של קרע מעטפת, מגע ישיר עם אוויר, וכתוצאה מכך בעירה, באותו זמן הצתה אלקטרוליט, להבה חזקה, התפשטות מהירה של גז, פיצוץ.

בנוסף, עבור סוללת ליתיום יון לטלפונים ניידים, עקב שימוש לא נכון, כגון אקסטרוזיה, פגיעה וצריכת מים מובילים להתרחבות הסוללה, דפורמציה וסדיקה וכו', מה שיוביל לקצר בסוללה, בתהליך הפריקה או הטעינה הנגרם. על ידי פיצוץ חום.

בטיחות סוללות ליתיום:

על מנת למנוע פריקת יתר או טעינת יתר שנגרמה משימוש לא נכון, מנגנון הגנה משולש מוגדר בסוללת ליתיום יון אחת. האחד הוא השימוש באלמנטים מיתוג, כאשר הטמפרטורה של הסוללה עולה, ההתנגדות שלה תעלה, כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי, תפסיק אוטומטית את אספקת החשמל; השני הוא לבחור את חומר המחיצה המתאים, כאשר הטמפרטורה עולה לערך מסוים, נקבוביות המיקרון על המחיצה יתמוססו אוטומטית, כך שיוני ליתיום לא יוכלו לעבור, התגובה הפנימית של הסוללה נעצרת; השלישי הוא להגדיר את שסתום הבטיחות (כלומר, חור האוורור בחלק העליון של הסוללה). כאשר הלחץ הפנימי של המצבר עולה לערך מסוים, שסתום הבטיחות ייפתח אוטומטית כדי להבטיח את בטיחות המצבר.

לפעמים, למרות שלמצבר עצמו יש אמצעי בקרה בטיחותיים, אבל בגלל כמה סיבות שנגרמו מכשל הבקרה, לחוסר שסתום בטיחות או גז אין זמן להשתחרר דרך שסתום הבטיחות, הלחץ הפנימי של המצבר יעלה בחדות ויגרום פיצוץ. באופן כללי, סך האנרגיה האצורה בסוללות ליתיום-יון עומד ביחס הפוך לבטיחותן. ככל שהקיבולת של המצבר עולה, גם נפח המצבר גדל, וביצועי פיזור החום שלה מתדרדרים, והאפשרות לתאונות תגדל מאוד. עבור סוללות ליתיום-יון המשמשות בטלפונים ניידים, הדרישה הבסיסית היא שהסבירות לתאונות בטיחות תהיה פחות מאחד למיליון, וזה גם התקן המינימלי המקובל על הציבור. עבור סוללות ליתיום-יון בעלות קיבולת גדולה, במיוחד עבור מכוניות, חשוב מאוד לאמץ פיזור חום כפוי.

הבחירה של חומרי אלקטרודה בטוחים יותר, חומר תחמוצת ליתיום מנגן, במונחים של מבנה מולקולרי כדי להבטיח שבמצב מטען מלא, יוני הליתיום באלקטרודה החיובית הוטמעו לחלוטין בחור הפחמן השלילי, מונעות ביסודו את יצירת הדנדריטים. יחד עם זאת, המבנה היציב של חומצת ליתיום מנגן, כך שביצועי החמצון שלה נמוכים בהרבה מחומצת ליתיום קובלט, טמפרטורת הפירוק של חומצת ליתיום קובלט יותר מ-100 ℃, אפילו בגלל קצר חיצוני חיצוני (מחט), חיצוני קצר חשמלי, טעינת יתר, יכול גם למנוע לחלוטין את הסכנה של בעירה ופיצוץ הנגרמת על ידי מתכת ליתיום שקועה.

בנוסף, השימוש בחומר ליתיום מנגנט יכול גם להוזיל מאוד את העלות.

כדי לשפר את הביצועים של טכנולוגיית בקרת הבטיחות הקיימת, עלינו לשפר תחילה את ביצועי הבטיחות של ליבת סוללת ליתיום יון, אשר חשובה במיוחד עבור סוללות קיבולת גדולה. בחר דיאפרגמה עם ביצועי סגירה תרמית טובים. תפקידה של הדיאפרגמה הוא לבודד את הקטבים החיובי והשלילי של הסוללה תוך מתן אפשרות למעבר יוני ליתיום. כשהטמפרטורה עולה, הממברנה נסגרת לפני שהיא נמסה, מה שמעלה את ההתנגדות הפנימית ל-2,000 אוהם ומכבה את התגובה הפנימית. כאשר הלחץ או הטמפרטורה הפנימיים מגיעים לסטנדרט שנקבע מראש, השסתום חסין הפיצוץ ייפתח ויתחיל לשחרר לחץ כדי למנוע הצטברות יתר של גז פנימי, דפורמציה, ובסופו של דבר יוביל להתפוצצות פגז. שפרו את רגישות הבקרה, בחרו פרמטרי בקרה רגישים יותר ואמץ את השליטה המשולבת של מספר פרמטרים (שחשוב במיוחד עבור סוללות בקיבולת גדולה). עבור קיבולת גדולה חבילת סוללות ליתיום יון היא סדרה/מקבילית תאים מרובים, כגון מתח המחשב הנייד הוא יותר מ 10V, קיבולת גדולה, בדרך כלל באמצעות 3 עד 4 סדרות סוללות בודדות יכול לעמוד בדרישות המתח, ולאחר מכן 2 עד 3 סדרות של מארז סוללות מקביל, על מנת להבטיח קיבולת גדולה.

ערכת הסוללות בעלת הקיבולת הגבוהה עצמה חייבת להיות מצוידת בפונקציית הגנה מושלמת יחסית, ויש לשקול גם שני סוגים של מודולי לוח מעגלים: מודול ProtecTIonBoardPCB ומודול SmartBatteryGaugeBoard. כל עיצוב ההגנה על הסוללה כולל: IC הגנה ברמה 1 (מניעת טעינת יתר של הסוללה, פריקת יתר, קצר חשמלי), IC הגנה ברמה 2 (מניעת מתח יתר שני), נתיך, מחוון LED, ויסות טמפרטורה ורכיבים נוספים. תחת מנגנון ההגנה הרב-שכבתי, גם במקרה של מטען מתח חריג ומחשב נייד, ניתן להעביר את סוללת המחשב הנייד רק למצב הגנה אוטומטית. אם המצב אינו חמור, לרוב הוא פועל כרגיל לאחר חיבור והסרה ללא פיצוץ.

הטכנולוגיה הבסיסית המשמשת בסוללות ליתיום-יון המשמשות במחשבים ניידים וטלפונים ניידים אינה בטוחה, ויש לשקול מבנים בטוחים יותר.

לסיכום, עם התקדמות הטכנולוגיה החומרית והעמקת ההבנה של אנשים לגבי הדרישות לתכנון, ייצור, בדיקה ושימוש של סוללות ליתיום יון, עתידן של סוללות ליתיום יון יהפוך בטוח יותר.