O lítio é o menor e mais reativo metal da tabela periódica. Devido ao seu pequeno tamanho, possui alta densidade de capacidade e é amplamente bem recebido por consumidores e engenheiros. Porém, as propriedades químicas são muito reativas, o que traz riscos extremamente elevados. Quando o metal de lítio é exposto ao ar, ele sofre uma violenta reação de oxidação com o oxigênio e explode. Para melhorar a segurança e a tensão, os cientistas inventaram materiais como grafite e óxido de lítio-cobalto para armazenar átomos de lítio. As estruturas moleculares desses materiais formam pequenas redes de armazenamento em nível nanométrico, que podem ser usadas para armazenar átomos de lítio. Desta forma, mesmo que o invólucro da bateria se rompa e o oxigênio entre, as moléculas de oxigênio serão muito grandes para entrar nesses pequenos compartimentos de armazenamento, de modo que os átomos de lítio não entrarão em contato com o oxigênio para evitar a explosão. Este princípio das baterias de íons de lítio permite que as pessoas alcancem alta densidade de capacidade e, ao mesmo tempo, obtenham segurança.
Quando uma bateria de íons de lítio é carregada, os átomos de lítio no eletrodo positivo perdem elétrons e são oxidados em íons de lítio. Os íons de lítio nadam até o eletrodo negativo através do eletrólito, entram no compartimento de armazenamento do eletrodo negativo, obtêm um elétron e são reduzidos a átomos de lítio. Ao descarregar, todo o processo é invertido. Para evitar que os eletrodos positivos e negativos da bateria se toquem diretamente e causem um curto-circuito, um papel separador com muitos poros é adicionado à bateria para evitar curto-circuitos. Um bom papel separador também pode fechar automaticamente os poros quando a temperatura da bateria está muito alta, impossibilitando a passagem dos íons de lítio, anulando assim o propósito e evitando o perigo.
Salvaguarda
Depois que a célula da bateria de lítio for sobrecarregada a uma tensão superior a 4,2 V, ela começará a produzir efeitos colaterais. Quanto maior a tensão de sobrecarga, maior o risco. Depois que a tensão da célula da bateria de lítio for superior a 4,2 V, o número de átomos de lítio restantes no material do eletrodo positivo será inferior à metade. Neste momento, as células de memória entrarão frequentemente em colapso, causando uma diminuição permanente na capacidade da bateria. Se o carregamento continuar, uma vez que o compartimento de armazenamento do eletrodo negativo foi preenchido com átomos de lítio, o metal de lítio subsequente se acumulará na superfície do material do eletrodo negativo. Esses átomos de lítio criarão dendritos na superfície do eletrodo negativo na direção dos íons de lítio. Esses cristais de metal de lítio passarão pelo papel separador e causarão curto-circuito nos eletrodos positivos e negativos. Às vezes, a bateria explode antes que ocorra um curto-circuito. Isso ocorre porque durante o processo de sobrecarga, o eletrólito e outros materiais irão rachar e produzir gás, fazendo com que o invólucro da bateria ou válvula de pressão inche e rompa, permitindo que o oxigênio entre e reaja com os átomos de lítio acumulados na superfície do eletrodo negativo. E então explodir. Portanto, ao carregar baterias de lítio, o limite superior de tensão deve ser definido para que a vida útil, a capacidade e a segurança da bateria possam ser levadas em consideração ao mesmo tempo. O limite superior ideal de tensão de carga é 4,2V.
As baterias de lítio também precisam ter um limite de tensão mais baixo durante a descarga. Quando a tensão da célula for inferior a 2,4 V, alguns materiais começarão a ser destruídos. E como a bateria se autodescarregará, quanto mais tempo ela ficar descarregada, menor será a tensão. Portanto, é melhor não parar de descarregar em 2,4V. Durante o período em que uma bateria de lítio é descarregada de 3,0V para 2,4V, a energia liberada representa apenas cerca de 3% da capacidade da bateria. Portanto, 3.0V é uma tensão de corte de descarga ideal.
Ao carregar e descarregar, além da limitação de tensão, também é necessária a limitação de corrente. Quando a corrente é muito grande, os íons de lítio não têm tempo de entrar no local de armazenamento e se acumulam na superfície do material. Depois que esses íons de lítio obtiverem elétrons, eles produzirão cristais de átomos de lítio na superfície do material, o que é tão perigoso quanto a sobrecarga. Se a caixa da bateria romper, ela explodirá.
Portanto, a proteção das baterias de íon-lítio deve incluir pelo menos: limite superior da tensão de carga, limite inferior da tensão de descarga e limite superior da corrente. Geralmente, em uma bateria de lítio, além do núcleo da bateria de lítio, haverá uma placa protetora. Esta placa protetora fornece principalmente essas três proteções. No entanto, essas três proteções da placa de proteção obviamente não são suficientes, e os incidentes de explosão de baterias de lítio ainda são frequentes em todo o mundo. Para garantir a segurança do sistema de baterias, uma análise mais cuidadosa deve ser realizada sobre as causas das explosões das baterias.
Causas da explosão da bateria
1. Grande polarização interna!
2. A peça polar absorve água e reage com o eletrólito.
3. A qualidade e o desempenho do próprio eletrólito.
4. Ao injetar líquido, a quantidade de líquido injetado não atende aos requisitos do processo.
5. Durante o processo de montagem, o desempenho de vedação da soldagem a laser é ruim, resultando em vazamento de ar e detecção de vazamento.
6. Poeira, poeira polar pode facilmente levar a um micro curto-circuito primeiro, o motivo específico é desconhecido.
7. As placas dos eletrodos positivos e negativos são mais espessas do que a faixa do processo e difíceis de inserir no invólucro.
8. Problema de vedação por injeção de líquido, mau desempenho de vedação das esferas de aço leva ao abaulamento do ar.
9. O material do invólucro de entrada tem uma parede mais espessa e a deformação do invólucro afeta a espessura.
Análise do tipo de explosão
Os tipos de explosões no núcleo da bateria podem ser resumidos como curto-circuito externo, curto-circuito interno e sobrecarga. A parte externa aqui se refere à parte externa da célula da bateria, incluindo curtos-circuitos causados por um projeto de isolamento deficiente dentro da bateria.
Quando ocorre um curto-circuito fora do núcleo da bateria e o componente eletrônico não consegue cortar o circuito, um alto calor será gerado dentro do núcleo da bateria, fazendo com que parte do eletrólito vaporize e expanda o invólucro da bateria. Quando a temperatura interna da bateria atingir 135 graus Celsius, um papel separador de boa qualidade fechará os poros, a reação eletroquímica será encerrada ou quase encerrada, a corrente cairá drasticamente e a temperatura também cairá lentamente, evitando assim um explosão. No entanto, se a taxa de fechamento dos poros for muito baixa ou se os poros não estiverem fechados, a temperatura da bateria continuará a subir, mais eletrólito irá vaporizar e, finalmente, o invólucro da bateria irá estourar e a temperatura da bateria aumentará até para o ponto onde é usado. O material queima e explode.
O curto-circuito interno é causado principalmente pelas rebarbas da folha de cobre e da folha de alumínio que penetram no diafragma, ou pelos dendritos dos átomos de lítio que penetram no diafragma. Esses minúsculos metais em forma de agulha podem causar microcurtos-circuitos. Como a agulha é muito fina e tem um certo valor de resistência, a corrente pode não ser muito grande. Rebarbas de cobre e folha de alumínio são causadas durante o processo de produção. O fenômeno observável é que a bateria vaza muito rapidamente e a maioria deles pode ser eliminada pela fábrica de células de bateria ou pela fábrica de montagem. Além disso, como as rebarbas são tão pequenas, às vezes elas queimam, fazendo com que a bateria volte ao normal. Portanto, a probabilidade de explosão causada por microcurto-circuito de rebarbas não é alta.
Esta afirmação pode ser apoiada por estatísticas do fato de que muitas vezes há baterias ruins com baixa tensão logo após o carregamento em várias fábricas de baterias, mas raramente ocorrem explosões. Portanto, as explosões causadas por curtos-circuitos internos são causadas principalmente por sobrecarga. Porque após a sobrecarga, cristais de metal de lítio em forma de agulha estão por toda parte na peça polar, pontos de perfuração estão por toda parte e microcurtos-circuitos ocorrem em toda parte. Portanto, a temperatura da bateria aumentará gradualmente e, finalmente, a alta temperatura irá gasear o eletrólito. Nesse caso, se a temperatura for muito alta e o material queimar e explodir, ou se a casca for quebrada primeiro, permitindo a entrada de ar e oxidando violentamente o metal de lítio, isso terminará em uma explosão.
Porém, a explosão causada por um curto-circuito interno causado por sobrecarga não ocorre necessariamente no momento do carregamento. É possível que quando a temperatura da bateria não seja alta o suficiente para que o material queime e o gás gerado não seja suficiente para estourar a carcaça da bateria, os consumidores parem de carregar e retirem seus celulares. Neste momento, o calor gerado por numerosos microcurtos-circuitos aumenta lentamente a temperatura da bateria. Após um período de tempo, a bateria explode. Uma descrição comum dos consumidores é que eles descobriram que o telefone estava muito quente quando o pegaram e explodiu após jogá-lo fora.
Com base nos tipos de explosões acima, podemos focar na prevenção de explosões em três aspectos: prevenção de sobrecarga, prevenção de curto-circuitos externos e melhoria da segurança das células da bateria. Entre elas, a prevenção de sobrecarga e a prevenção de curto-circuito externo pertencem à proteção eletrônica, que está intimamente relacionada ao projeto do sistema de bateria e à montagem da bateria. O foco para melhorar a segurança das células de bateria é a proteção química e mecânica, que tem maior relacionamento com os fabricantes de células de bateria.
especificações de projeto
Dado que existem centenas de milhões de telemóveis no mundo, para alcançar a segurança, a taxa de falha da protecção de segurança deve ser inferior a uma em 100 milhões. Porque a taxa de falhas das placas de circuito é geralmente muito superior a uma em 100 milhões. Portanto, ao projetar um sistema de bateria, deve haver mais de duas linhas de defesa de segurança. Um erro de projeto comum é usar o adaptador para carregar diretamente a bateria. Desta forma, a importante tarefa de proteção contra sobrecarga é totalmente entregue à placa de proteção da bateria. Embora a taxa de falhas da placa de proteção não seja alta, mesmo que a taxa de falhas seja tão baixa quanto um em um milhão, acidentes com explosões ainda acontecerão todos os dias em todo o mundo.
Se o sistema de bateria puder fornecer dois níveis de proteção de segurança para sobrecarga, descarga excessiva e sobrecorrente, se a taxa de falha de cada nível de proteção for de uma em 10,000, os dois níveis de proteção poderão reduzir a taxa de falha para um em 100,000,000. Um diagrama de blocos comum do sistema de carregamento de bateria é o seguinte, incluindo um carregador e uma bateria. O carregador contém duas partes: adaptador e controlador de carregamento. O adaptador converte energia CA em energia CC e o controlador de carregamento limita a corrente e a tensão máximas da energia CC. A bateria consiste em duas partes: uma placa protetora e uma célula de bateria, além de um PTC para limitar a corrente máxima.
Tomemos como exemplo o sistema de bateria do telefone celular. O sistema de proteção contra sobrecarga usa a tensão de saída do carregador definida em cerca de 4,2 V para atingir o primeiro nível de proteção. Desta forma, mesmo que a placa de proteção da bateria falhe, a bateria não será sobrecarregada. O perigo ocorre. O segundo nível de proteção é a função de proteção contra sobrecarga na placa de proteção, que geralmente é definida para 4,3V. Desta forma, a placa de proteção normalmente não precisa ser responsável pelo corte da corrente de carga. Ele só precisa atuar quando a tensão do carregador estiver anormalmente alta. A proteção contra sobrecorrente é fornecida pela placa de proteção e pela placa limitadora de corrente. Estas também são duas camadas de proteção para evitar sobrecorrente e curto-circuito externo. Porque a descarga excessiva só ocorre quando produtos eletrônicos estão sendo usados. Portanto, o projeto geral é que a placa de circuito do produto eletrônico forneça o primeiro nível de proteção e a placa de proteção da bateria forneça o segundo nível de proteção. Quando os produtos eletrônicos detectam que a tensão da fonte de alimentação é inferior a 3,0V, eles devem desligar automaticamente. Se o produto não for projetado com esta função, a placa de proteção fechará o circuito de descarga quando a tensão for tão baixa quanto 2,4V.
Resumindo, ao projetar um sistema de bateria, dois níveis de proteção eletrônica devem ser fornecidos para sobrecarga, descarga excessiva e sobrecorrente. A placa protetora é a segunda linha de proteção. Remova a placa protetora antes de carregar. Se a bateria explodir, isso significa um design ruim.
Embora o método acima forneça duas camadas de proteção, os consumidores geralmente compram carregadores não originais para carregar após a quebra do carregador, e os fabricantes de carregadores, com base em considerações de custo, geralmente removem o controlador de carregamento para reduzir custos. . Como resultado, o dinheiro ruim expulsa o dinheiro bom e muitos carregadores de baixa qualidade aparecem no mercado. Isso faz com que a proteção contra sobrecarga perca a primeira e mais importante linha de defesa. A sobrecarga é o fator mais importante que causa explosões de baterias. Portanto, carregadores de qualidade inferior podem ser considerados os culpados pelas explosões de baterias.
É claro que nem todos os sistemas de bateria utilizam a solução mostrada acima. Em alguns casos, a bateria também terá um design de controlador de carga. Por exemplo: Muitos notebooks possuem controladores de carga para suas baterias externas. Isso ocorre porque os notebooks geralmente têm o controlador de carregamento integrado ao computador e fornecem apenas um adaptador aos consumidores. Portanto, a bateria externa de um notebook deve ter um controlador de carregamento para garantir a segurança da bateria externa ao carregar usando um adaptador. Além disso, os produtos carregados com o acendedor de cigarros do carro às vezes possuem um controlador de carga integrado à bateria.
última linha de defesa
Se as medidas de proteção eletrônica falharem, a última linha de defesa será fornecida pelo núcleo da bateria. O nível de segurança do núcleo da bateria pode ser aproximadamente distinguido com base na capacidade do núcleo da bateria passar por curto-circuito externo e sobrecarga. Porque, antes da bateria explodir, se houver átomos de lítio acumulados na superfície do material em seu interior, a explosão será mais poderosa. Além disso, a proteção contra sobrecarga muitas vezes fica com apenas uma linha de defesa porque os consumidores usam carregadores de qualidade inferior. Portanto, a capacidade de uma célula de bateria suportar sobrecarga é mais importante do que sua capacidade de suportar curtos-circuitos externos.
Comparação da segurança de baterias com invólucro de alumínio e baterias com invólucro de aço Os invólucros de alumínio têm grandes vantagens de segurança em relação aos invólucros de aço.