Baterai litium adalah sistem baterai dengan pertumbuhan tercepat dalam 20 tahun terakhir dan banyak digunakan dalam produk elektronik.Ledakan ponsel dan laptop baru-baru ini pada dasarnya adalah ledakan baterai.Seperti apa bentuk baterai ponsel dan laptop, cara kerjanya, penyebab meledak, dan cara menghindarinya.
Efek samping mulai terjadi ketika sel litium diisi daya secara berlebihan hingga tegangan lebih tinggi dari 4,2V.Semakin tinggi tekanan harga berlebih, semakin tinggi pula risikonya.Pada tegangan yang lebih tinggi dari 4,2V, ketika kurang dari setengah atom litium yang tersisa di bahan katoda, sel penyimpanan sering kali rusak, menyebabkan penurunan kapasitas baterai secara permanen.Jika muatan terus berlanjut, logam litium berikutnya akan menumpuk di permukaan bahan katoda, karena sel penyimpan katoda sudah penuh dengan atom litium.Atom litium ini menumbuhkan kristal dendritik dari permukaan katoda searah dengan ion litium.Kristal litium akan melewati kertas diafragma, menyebabkan korslet pada anoda dan katoda.Terkadang baterai meledak sebelum terjadi korsleting.Hal ini terjadi karena selama proses overcharge, material seperti elektrolit retak dan menghasilkan gas yang menyebabkan selubung baterai atau katup tekanan membengkak dan pecah, sehingga oksigen bereaksi dengan atom litium yang terkumpul di permukaan elektroda negatif dan meledak.
Oleh karena itu, saat mengisi daya baterai litium, perlu ditetapkan batas atas voltase, dengan mempertimbangkan masa pakai baterai, kapasitas, dan keamanan.Batas atas tegangan pengisian yang ideal adalah 4.2V.Juga harus ada batas voltase yang lebih rendah saat sel litium dilepaskan.Ketika tegangan sel turun di bawah 2.4V, beberapa material mulai rusak.Dan karena baterai akan melakukan self-discharge, semakin lama tegangannya akan semakin rendah, oleh karena itu, yang terbaik adalah tidak mengeluarkan 2.4V untuk berhenti.Dari 3.0V hingga 2.4V, baterai litium hanya melepaskan sekitar 3% dari kapasitasnya.Oleh karena itu, 3.0V adalah tegangan pemutus pelepasan yang ideal.Saat mengisi dan mengosongkan, selain batas tegangan, batas arus juga diperlukan.Ketika arus terlalu tinggi, ion litium tidak sempat masuk ke sel penyimpanan dan akan terakumulasi di permukaan material.
Saat ion-ion ini memperoleh elektron, mereka mengkristalkan atom litium pada permukaan material, yang bisa sama berbahayanya dengan pengisian daya yang berlebihan.Jika wadah baterai rusak, maka akan meledak.Oleh karena itu, perlindungan baterai lithium ion setidaknya harus mencakup batas atas tegangan pengisian, batas bawah tegangan pemakaian, dan batas atas arus.Secara umum, selain inti baterai litium, akan terdapat pelat pelindung, yang terutama berfungsi untuk memberikan ketiga perlindungan tersebut.Namun, pelat pelindung dari ketiga pelindung ini jelas tidak cukup, atau sering terjadi ledakan baterai litium global.Untuk menjamin keamanan sistem baterai, diperlukan analisis yang lebih cermat terhadap penyebab ledakan baterai.
Penyebab ledakan:
1. Polarisasi internal yang besar;
2.Potongan tiang menyerap air dan bereaksi dengan drum gas elektrolit;
3. Kualitas dan kinerja elektrolit itu sendiri;
4.Jumlah injeksi cairan tidak dapat memenuhi persyaratan proses;
5. Kinerja segel pengelasan laser buruk dalam proses persiapan, dan kebocoran udara terdeteksi.
6. Debu dan debu tiang mudah menyebabkan korsleting mikro terlebih dahulu;
7. Pelat positif dan negatif lebih tebal dari rentang proses, sulit untuk dikupas;
8. Masalah penyegelan injeksi cairan, kinerja penyegelan bola baja yang buruk menyebabkan drum gas;
9. Dinding cangkang material yang masuk terlalu tebal, deformasi cangkang mempengaruhi ketebalan;
10. Tingginya suhu lingkungan di luar juga menjadi penyebab utama terjadinya ledakan.
Jenis ledakan
Analisis Jenis Ledakan Jenis ledakan inti baterai dapat diklasifikasikan menjadi korsleting eksternal, korsleting internal, dan pengisian berlebih.Eksternal di sini mengacu pada bagian luar sel, termasuk korsleting yang disebabkan oleh buruknya desain isolasi paket baterai internal.Ketika terjadi korsleting di luar sel, dan komponen elektronik gagal memutus rangkaian, sel akan menghasilkan panas tinggi di dalam, menyebabkan sebagian elektrolit menguap, yaitu cangkang baterai.Ketika suhu internal baterai tinggi hingga 135 derajat Celcius, kertas diafragma berkualitas baik akan menutup lubang halus, reaksi elektrokimia terhenti atau hampir terhenti, arus turun, dan suhu juga turun perlahan, sehingga terhindar dari ledakan. .Namun kertas diafragma dengan tingkat penutupan yang buruk, atau kertas yang tidak menutup sama sekali, akan membuat baterai tetap hangat, menguapkan lebih banyak elektrolit, dan akhirnya memecahkan casing baterai, atau bahkan menaikkan suhu baterai hingga bahannya terbakar. dan meledak.Korsleting internal terutama disebabkan oleh duri foil tembaga dan aluminium foil yang menembus diafragma, atau kristal dendritik atom litium yang menembus diafragma.
Logam kecil seperti jarum ini dapat menyebabkan korsleting mikro.Karena jarumnya sangat tipis dan mempunyai nilai resistansi tertentu, maka arusnya belum tentu terlalu besar.Gerinda aluminium foil tembaga disebabkan dalam proses produksi.Fenomena yang diamati adalah baterai bocor terlalu cepat, dan sebagian besar dapat disaring oleh pabrik sel atau pabrik perakitan.Dan karena gerindanya kecil, terkadang terbakar sehingga membuat baterai kembali normal.Oleh karena itu, kemungkinan ledakan yang disebabkan oleh korsleting mikro duri tidak tinggi.Pandangan seperti itu, sering kali dapat mengisi daya dari dalam setiap pabrik sel, tegangan pada baterai buruk yang rendah, namun jarang terjadi ledakan, mendapatkan dukungan statistik.Oleh karena itu, ledakan yang disebabkan oleh korsleting internal terutama disebabkan oleh pengisian daya yang berlebihan.Karena terdapat kristal logam litium seperti jarum di mana-mana pada lembaran elektroda belakang yang terisi daya berlebih, titik tusukan ada di mana-mana, dan korsleting mikro terjadi di mana-mana.Oleh karena itu, suhu sel secara bertahap akan naik, dan akhirnya suhu tinggi akan menghasilkan gas elektrolit.Situasi ini, apakah suhunya terlalu tinggi untuk membuat bahan terbakar meledak, atau cangkangnya pecah terlebih dahulu, sehingga udara di dalamnya dan logam litium mengalami oksidasi yang hebat, adalah akhir dari ledakan.
Namun ledakan seperti itu, yang disebabkan oleh korsleting internal akibat pengisian daya yang berlebihan, belum tentu terjadi pada saat pengisian daya.Ada kemungkinan konsumen akan berhenti mengisi daya dan mengeluarkan ponselnya sebelum baterai cukup panas untuk membakar material dan menghasilkan cukup gas untuk meledakkan casing baterai.Panas yang dihasilkan oleh banyak korsleting perlahan-lahan menghangatkan baterai dan, setelah beberapa waktu, meledak.Gambaran umum konsumen adalah mereka mengangkat telepon dan mendapati teleponnya sangat panas, lalu membuangnya dan meledak.Berdasarkan jenis ledakan di atas, kita dapat fokus pada pencegahan pengisian daya berlebih, pencegahan korsleting eksternal, dan meningkatkan keamanan sel.Diantaranya, pencegahan pengisian berlebih dan korsleting eksternal termasuk dalam perlindungan elektronik, yang sangat terkait dengan desain sistem baterai dan paket baterai.Poin kunci dari peningkatan keamanan sel adalah perlindungan kimia dan mekanis, yang memiliki hubungan baik dengan produsen sel.
Masalah tersembunyi yang aman
Keamanan baterai lithium ion tidak hanya berkaitan dengan sifat bahan sel itu sendiri, tetapi juga terkait dengan teknologi penyiapan dan penggunaan baterai.Baterai ponsel sering kali meledak, di satu sisi, karena kegagalan rangkaian proteksi, namun yang lebih penting, aspek material belum menyelesaikan masalah secara mendasar.
Bahan aktif katoda litium asam kobalt merupakan sistem yang sangat matang pada baterai kecil, namun setelah terisi penuh, masih banyak ion litium di anoda, bila overcharge, ion litium yang tersisa di anoda diharapkan berbondong-bondong ke anoda , terbentuk pada dendrit katoda menggunakan akibat wajar baterai lithium asam kobalt yang terlalu mahal, bahkan dalam proses pengisian dan pengosongan normal, mungkin juga ada kelebihan ion litium yang bebas ke elektroda negatif untuk membentuk dendrit.Energi spesifik teoritis bahan lithium cobalate lebih dari 270 mah/g, tetapi kapasitas sebenarnya hanya setengah dari kapasitas teoritis untuk memastikan kinerja siklusnya.Dalam proses penggunaan, karena beberapa alasan (seperti kerusakan pada sistem manajemen) dan tegangan pengisian baterai terlalu tinggi, sisa litium di elektroda positif akan dihilangkan, melalui elektrolit ke permukaan elektroda negatif di bentuk pengendapan logam litium membentuk dendrit.Dendrit Menembus diafragma, menciptakan korsleting internal.
Komponen utama elektrolit adalah karbonat, yang memiliki titik nyala rendah dan titik didih rendah.Ia akan terbakar atau bahkan meledak dalam kondisi tertentu.Jika baterai terlalu panas, hal ini akan menyebabkan oksidasi dan reduksi karbonat dalam elektrolit, sehingga menghasilkan banyak gas dan lebih banyak panas.Jika tidak ada katup pengaman atau gas tidak dikeluarkan melalui katup pengaman, tekanan internal baterai akan meningkat tajam dan menyebabkan ledakan.
Baterai lithium ion elektrolit polimer pada dasarnya tidak menyelesaikan masalah keamanan, asam litium kobalt dan elektrolit organik juga digunakan, dan elektrolitnya bersifat koloid, tidak mudah bocor, akan terjadi pembakaran yang lebih hebat, pembakaran adalah masalah terbesar keamanan baterai polimer.
Ada juga beberapa masalah dengan penggunaan baterai.Hubungan pendek eksternal atau internal dapat menghasilkan arus berlebih beberapa ratus ampere.Ketika terjadi korsleting eksternal, baterai langsung mengeluarkan arus yang besar, menghabiskan banyak energi dan menghasilkan panas yang sangat besar pada resistansi internal.Hubungan pendek internal membentuk arus yang besar, dan suhu naik, menyebabkan diafragma meleleh dan area hubung singkat meluas, sehingga membentuk lingkaran setan.
Baterai lithium ion untuk mencapai tegangan kerja tinggi sel tunggal 3 ~ 4.2V, harus mengambil penguraian tegangan lebih besar dari 2V elektrolit organik, dan penggunaan elektrolit organik dalam arus tinggi, kondisi suhu tinggi akan dielektrolisis, elektrolitik gas, mengakibatkan peningkatan tekanan internal, serius akan menembus cangkang.
Pengisian yang berlebihan dapat mengendapkan logam litium, jika terjadi pecahnya cangkang, kontak langsung dengan udara, mengakibatkan pembakaran, sekaligus penyalaan elektrolit, nyala api yang kuat, pemuaian gas yang cepat, ledakan.
Selain itu, untuk baterai lithium ion ponsel, karena penggunaan yang tidak tepat, seperti ekstrusi, benturan, dan masuknya air menyebabkan baterai mengembang, berubah bentuk dan retak, dll., yang akan menyebabkan korsleting baterai, yang menyebabkan proses pengosongan atau pengisian daya. oleh ledakan panas.
Keamanan baterai litium:
Untuk menghindari pengosongan berlebih atau pengisian daya berlebih yang disebabkan oleh penggunaan yang tidak tepat, mekanisme perlindungan rangkap tiga diatur dalam baterai lithium ion tunggal.Salah satunya adalah penggunaan elemen switching, ketika suhu baterai naik, resistansinya akan meningkat, ketika suhu terlalu tinggi, pasokan listrik secara otomatis akan berhenti;Yang kedua adalah memilih bahan partisi yang sesuai, ketika suhu naik ke nilai tertentu, pori-pori mikron pada partisi akan otomatis larut, sehingga ion litium tidak dapat lewat, reaksi internal baterai berhenti;Yang ketiga adalah memasang katup pengaman (yaitu lubang ventilasi di bagian atas baterai).Ketika tekanan internal baterai naik ke nilai tertentu, katup pengaman akan terbuka secara otomatis untuk menjamin keamanan baterai.
Kadang-kadang, meskipun baterai itu sendiri memiliki langkah-langkah pengendalian keselamatan, namun karena beberapa alasan yang disebabkan oleh kegagalan kontrol, kurangnya katup pengaman atau gas tidak memiliki waktu untuk dilepaskan melalui katup pengaman, tekanan internal baterai akan meningkat tajam dan menyebabkan sebuah ledakan.Secara umum, total energi yang disimpan dalam baterai lithium-ion berbanding terbalik dengan keamanannya.Seiring dengan bertambahnya kapasitas baterai, volume baterai juga meningkat, kinerja pembuangan panasnya menurun, dan kemungkinan kecelakaan akan sangat meningkat.Untuk baterai litium-ion yang digunakan pada telepon seluler, persyaratan dasarnya adalah kemungkinan kecelakaan keselamatan harus kurang dari satu dalam satu juta, yang juga merupakan standar minimum yang dapat diterima masyarakat.Untuk baterai lithium-ion berkapasitas besar, terutama untuk mobil, sangat penting untuk menerapkan pembuangan panas paksa.
Pemilihan bahan elektroda yang lebih aman, bahan litium mangan oksida, dalam hal struktur molekul untuk memastikan bahwa dalam keadaan terisi penuh, ion litium di elektroda positif telah sepenuhnya tertanam ke dalam lubang karbon negatif, pada dasarnya menghindari pembentukan dendrit.Pada saat yang sama, struktur asam litium kobalt stabil, sehingga kinerja oksidasinya jauh lebih rendah daripada asam litium kobalt, suhu penguraian asam litium kobalt lebih dari 100℃, bahkan karena hubungan pendek eksternal eksternal (tusuk jarum), eksternal korsleting, pengisian daya yang berlebihan, juga dapat sepenuhnya menghindari bahaya pembakaran dan ledakan yang disebabkan oleh logam litium yang diendapkan.
Selain itu, penggunaan bahan litium manganat juga dapat mengurangi biaya secara signifikan.
Untuk meningkatkan kinerja teknologi kontrol keselamatan yang ada, pertama-tama kita harus meningkatkan kinerja keselamatan inti baterai lithium ion, yang khususnya penting untuk baterai berkapasitas besar.Pilih diafragma dengan kinerja penutupan termal yang baik.Peran diafragma adalah untuk mengisolasi kutub positif dan negatif baterai sekaligus memungkinkan lewatnya ion litium.Ketika suhu naik, membran ditutup sebelum meleleh, sehingga meningkatkan resistansi internal hingga 2.000 ohm dan menghentikan reaksi internal.Ketika tekanan atau suhu internal mencapai standar yang telah ditentukan, katup tahan ledakan akan terbuka dan mulai melepaskan tekanan untuk mencegah akumulasi gas internal yang berlebihan, deformasi, dan akhirnya menyebabkan pecahnya cangkang.Tingkatkan sensitivitas kontrol, pilih parameter kontrol yang lebih sensitif, dan terapkan kontrol gabungan beberapa parameter (yang sangat penting untuk baterai berkapasitas besar).Untuk paket baterai lithium ion berkapasitas besar adalah komposisi beberapa sel seri/paralel, seperti tegangan komputer notebook lebih dari 10V, kapasitas besar, umumnya menggunakan 3 hingga 4 seri baterai tunggal dapat memenuhi persyaratan tegangan, dan kemudian 2 hingga 3 seri baterai baterai paralel, untuk memastikan kapasitas besar.
Paket baterai berkapasitas tinggi itu sendiri harus dilengkapi dengan fungsi perlindungan yang relatif sempurna, dan dua jenis modul papan sirkuit juga harus dipertimbangkan: modul ProtecTionBoardPCB dan modul SmartBatteryGaugeBoard.Seluruh desain perlindungan baterai meliputi: IC perlindungan level 1 (mencegah pengisian baterai yang berlebihan, pengosongan berlebih, korsleting), IC perlindungan level 2 (mencegah tegangan berlebih kedua), sekering, indikator LED, pengaturan suhu dan komponen lainnya.Di bawah mekanisme perlindungan multi-level, bahkan jika pengisi daya dan laptop tidak normal, baterai laptop hanya dapat dialihkan ke status perlindungan otomatis.Jika situasinya tidak serius, sering kali berfungsi normal setelah dipasang dan dilepas tanpa ledakan.
Teknologi dasar yang digunakan dalam baterai lithium-ion yang digunakan pada laptop dan ponsel tidak aman, dan struktur yang lebih aman perlu dipertimbangkan.
Kesimpulannya, dengan kemajuan teknologi material dan semakin dalamnya pemahaman masyarakat tentang persyaratan desain, manufaktur, pengujian, dan penggunaan baterai lithium ion, masa depan baterai lithium ion akan menjadi lebih aman.
Waktu posting: 07-03-2022