حالت های شکست رایج باتری های لیتیوم در Consumer Electronics

باتری های لیتیوم-یون و لیتیوم-پلی تقریباً هر دستگاه مصرف کننده قابل حمل، از تلفن های هوشمند و لپ تاپ ها گرفته تا بی سیم گوش و قرص ها، چگالی انرژی بالا و توانایی شارژ شدن صدها بار آنها را ضروری کرده است، با این وجود این سیستم های مشابه می توانند به طور چشمگیری شکست بخورند و چرا آنها به کاربران کمک می کنند تا حوادث زندگی دستگاه را گسترش دهند، جلوگیری کنند و محصولات ایمن تر را انتخاب کنند، و در زیر خطرات اولیه آنها را کشف می کنند.

۱- ظرفیت Fade و کاهش سن

از دست دادن ظرفیت رایج ترین و قابل پیش بینی ترین شکل از تخریب باتری است.هر چرخه شارژ باعث تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر می شود. لایه بین هیدروژل (SEI) رشد می کند، مصرف محلول های فعال لیتیوم. الکترولیتی تجزیه می شود و مواد کاتد به طور قابل توجهی کاهش می یابد، در طول زمان این اثرات مقدار انرژی باتری را کاهش می دهد.

۲- مدارهای کوتاه داخلی و تشکیل دندریت

کوتاه داخلی زمانی رخ می دهد که الکترود های مثبت و منفی مستقیماً داخل نقص های تولید سلول قرار می گیرند – مانند آلودگی ذرات فلزی یا کیفیت جداکننده ضعیف – می توانند باعث ایجاد کوتاه های اولیه شوند.درهای بیشتر به طور ناگهانی دچار تبانی می شوند: میکروسکوپ، رسوبات درخت مانند لیتیوم فلزی که در طول شارژ سریع یا بیش از حد رشد می کنند، دنریی ها می توانند جداکننده نازک را سوراخ کنند، ایجاد یک مسیر کم حرارت باعث می شود که باعث می شود، اگر بسیاری از فرآیندهای گرمایش داخلی به اندازه کافی کوچک شود.

دانلود بازی حرارتی Runaway

فرار حرارتی خطرناک ترین حالت شکست است.هنگامی که تولید گرمای داخلی از توانایی باتری برای تخلیه گرما تجاوز می کند، افزایش دما، تسریع واکنش های بیرونی درون سلول. Electrolyte گازهای قابل اشتعال را آزاد می کند و جدا کننده ها یا ذوب می شوند، باعث می شود که این آبشار بتواند منجر به آتش سوزی، انفجار و تخلیه گازهای سمی شود (که باعث خرابی سلول های مکانیکی می شود).

۴- افسردگی ولتاژ و "نرم" کوتاه

همه کوتاه ها فاجعه بار نیستند.یک "نرم" کوتاه ممکن است ناشی از بدخواهانه الکترود جزئی یا آلودگی جزئی باشد که باعث افزایش میزان خود- ⁇ طبیعی می شود، باتری هنوز هم ممکن است کار کند اما کاهش ولتاژ سریع را در هنگام بیکار شدن نشان می دهد.در طول زمان این می تواند منجر به عدم تعادل سلول در بسته های چند سلولی، کاهش ظرفیت قابل استفاده و کاهش زودرس شود.

۵- نسل گاز و Swelling

باتری های پلیمری پلیمری لیتیوم اغلب هنگامی که گازهای داخلی توسط تجزیه الکترولیت یا رطوبت در حال گسترش است، فشار بر مسکن دستگاه افزایش می یابد، در حالی که تورم همیشه به معنای شکست قریب الوقوع نیست، نشان دهنده ایجاد فشار و از دست دادن احتمالی الکترولیت است. باتری های Swollen می توانند پاره و باعث سوختگی های شیمیایی یا آتش سوزی شوند اگر این حالت به ویژه در عصر معمول باشد و باتری های تلفن در معرض استرس فیزیکی قرار گرفته اند.

ریشه دلایل شکست

تولید Defects

حتی در کارخانه های تحت کنترل، ذرات میکروسکوپی فلز یا گرد و غبار می توانند سلول های آلوده را آلوده کنند، این ذرات ممکن است در طول مونتاژ جذب الکترود شوند و در نهایت باعث کمبود پوشش الکترود ضعیف، خشک شدن ناکافی و جداکننده ضعیف، دیگر نقص های بالقوه هستند - مانند رویداد های Samsung Note7 2016 - در نهایت به فرآیند تولید که اجازه می دهد تا الکترود های کوتاه در حافظه های کوچک.

بیش از حد و بیش از حد

باتری های لیتیوم باید در یک پنجره ولتاژ سخت نگه داشته شوند، به طور معمول 2.5-4.2 V در هر سلول.از بین بردن حد بالا (بیش از حد شارژ) نوار لیتیوم از کاتهود و صفحات آن را بر روی یک گره، تشکیل هیدروتروئیدها.بیش از حد غیر قابل تشخیص در زیر ولتاژ برش می تواند جمع کننده فعلی مس را حل کند، ایجاد مس که مدارهای کوتاه (ب) را طراحی کرده است، اما می تواند از آنها جلوگیری کند.

استرس حرارتی

گرما هر واکنش تخریبی را در داخل باتری تسریع می کند.که در 45 °C تقریباً در نیمی از عمر چرخه را در مقایسه با 25 درجه سانتیگراد افزایش می دهد - بالاتر از 60 درجه سانتیگراد - می تواند باعث جداکننده برای کوچک شدن یا ذوب شدن شود که منجر به کمبودهای داخلی می شود.

سوء استفاده فیزیکی

رها کردن یک دستگاه می تواند لایه های داخلی سلول را فلج یا تغییر دهد. پوncing یک باتری (به عنوان مثال با سوزن یا شی تیز) تقریبا همیشه باعث ایجاد یک کوتاه خشونت آمیز می شود.حتی لرزش مکرر می تواند اتصالات داخلی را در طول زمان خسته کند.

زندگی عصر و تقویم

تمام باتری های لیتیوم حتی زمانی که ذخیره نشده اند، سطح شارژ (۱۰۰ درصد) و دمای بالا سرعت پیری تقویم را کاهش می دهند و باتری را ۴۰ درصد و ۱۵ درجه سانتی گراد کاهش ظرفیت را طی ماه های زیادی به حداقل می رساند.این به همین دلیل است که تولید کنندگان دستگاه های جدید را در ۵۰ تا ۶۰ درصد شارژ می کنند – باتری را در طول ذخیره سازی حفظ می کنند.

مکانیسم های ایمنی ساخته شده در باتری های مدرن

سیستم مدیریت باتری (BMS)

BMS مغز یک بسته باتری است. آن را نظارت بر ولتاژ سلول، فعلی و دما، کاهش شارژ زمانی که هر سلول به حداکثر ولتاژ می رسد، تعادل سلول ها برای حفظ آنها برابر، و قطع بسته اگر دمای بیش از آستانه امن است.

دستگاه های مثبت دمایی (PTC)

یک سروو یک فیوز تنظیم شده است که مقاومت را به شدت افزایش می دهد، زمانی که جریان بیش از حد است، در برابر کوتاه های خارجی محافظت می کند - به عنوان مثال، اگر پورت شارژ دستگاه توسط یک شی خارجی کوتاه شود، هنگامی که خطا برداشته می شود و دستگاه خنک کننده های بهداشتی، آن را از کار عادی باز می کند.

دستگاه فعلی Interrupt (CID)

بسیاری از سلول های استوانه ای حاوی CID هستند که به طور دائمی اتصال داخلی سلول را قطع می کند اگر فشار گاز به سطح خطرناک برسد، این یک دفاع خط آخر در برابر فرار قبل از باز شدن دریچه ایمنی است.

ونت و Burst Disc

اگر فشار داخلی شدید شود (از تولید گاز)، یک منطقه گل زده یا خروجی برای انتشار گازهای در یک جهت کنترل شده باز می شود، این مانع از انفجار سلول می شود.در سلول های کیسه ای ممکن است مهر و موم در نقطه ضعف باز شود.

اقدامات پیشگیرانه و بهترین روش ها

کاربران می توانند خطر شکست باتری را با پیروی از این دستورالعمل ها به طور قابل توجهی کاهش دهند:

  • استفاده از شارژرهای گواهی شده و کابل.[۱۰] [FLT ۱] محصولات پس از بازار ممکن است به مشخصات شارژ صحیح احترام بگذارند یا فاقد گواهینامه های ایمنی مناسب باشند.
  • دمای شدید را ترک نکنید، دستگاه ها را در نور مستقیم خورشید، در یک ماشین گرم یا نزدیک به منابع گرما قرار ندهید، به طور مشابه، از شارژ در شرایط یخ زدن اجتناب کنید - اگر دستگاه سرد است، ابتدا گرم شود.
  • شارژ نکنید دستگاه های مدرن شارژ را در 100٪ متوقف می کنند، اما نگه داشتن آنها در هفته ها می تواند باتری را به طور کامل شارژ کند و در نظر گرفتن بهینه سازی باتری که شارژ را به 80٪ برای استفاده روزانه محدود می کند.
  • باتری های ورمی یا پیری را بلافاصله پس از آن [FLT 1 ] اگر متوجه شدید که دستگاه در حال سوزن شدن است، درب باتری بسته نمی شود، یا به طور غیر معمول کوتاه مدت، باتری جایگزین شده توسط یک تکنسین واجد شرایط است.
  • ] باتری هایStore به درستی برای دستگاه هایی که اغلب استفاده نمی کنید (به عنوان مثال، یک لپ تاپ پشتیبان)، ذخیره با باتری در حدود 40 - 60٪ شارژ در یک مکان خنک و خشک.
  • در صورت آسیب فیزیکی [FLT 1] اگر دستگاه سخت شده است، به دنبال نشانه ها یا برآمدگی ها باشید، حتی اگر دستگاه هنوز هم کار کند، آسیب داخلی ممکن است وجود داشته باشد.
  • دستورالعمل های تولید کننده پس از آن تنها از باتری های جایگزین مشخص شده برای دستگاه خود استفاده کنید. باتری های شخص ثالث ممکن است از امنیت یکسانی برخوردار نباشند.

نتیجه گیری: مسیر به جلو

فن آوری لیتیوم-ion همچنان در حال تکامل است. شیمیدانهای جدید کاتد مانند لیتیوم-ویرون- فسفات (LFP) ذاتا امن تر و کمتر مستعد باتری های حرارتی هستند. Solid-state - هنوز در حال توسعه - جایگزین الکترولیت مایع با یک جداکننده جامد، که عملا از بین بردن تشکیل هیدروتریت و ایمنی به شدت بهبود می یابد، در عین حال الگوریتم های بهتر BMS و دقیق تر تولید، بهترین روش های معمول برای درک از خطرات و کاهش کیفیت، استفاده از روش های ایمنی و کنترل قابل حمل و بی سیم کشی، در حال استفاده از روش های ایمنی غیر قابل حمل است.

برای مطالعه بیشتر در مورد ایمنی باتری و تجزیه و تحلیل شکست، مقاله دانشگاه برتریتی در مورد نگرانی های ایمنی Li-ion ، IEEE] گزارش طیف در مورد آتش سوزی باتری لیتیوم [FLT3] و [LT:4UL راهنمای تست ایمنی باتری [FLT5: درک این منابع و مهندسین] را توضیح می دهد.