Liti là kim loại nhỏ nhất và phản ứng mạnh nhất trong bảng tuần hoàn. Do kích thước nhỏ nên nó có mật độ công suất cao và được người tiêu dùng và kỹ sư đón nhận rộng rãi. Tuy nhiên, tính chất hóa học quá phản ứng nên mang lại rủi ro cực kỳ cao. Khi kim loại lithium tiếp xúc với không khí, nó sẽ trải qua phản ứng oxy hóa mạnh với oxy và phát nổ. Để cải thiện độ an toàn và điện áp, các nhà khoa học đã phát minh ra các vật liệu như than chì và oxit coban lithium để lưu trữ các nguyên tử lithium. Cấu trúc phân tử của những vật liệu này tạo thành các mạng lưu trữ nhỏ ở cấp độ nanomet, có thể được sử dụng để lưu trữ các nguyên tử lithium. Bằng cách này, ngay cả khi vỏ pin bị vỡ và oxy lọt vào, các phân tử oxy sẽ quá lớn để đi vào các ngăn lưu trữ nhỏ này, do đó các nguyên tử lithium sẽ không tiếp xúc với oxy để tránh nổ. Nguyên lý này của pin lithium-ion cho phép con người đạt được mật độ công suất cao đồng thời đạt được sự an toàn.
Khi pin lithium-ion được sạc, các nguyên tử lithium trong điện cực dương sẽ mất electron và bị oxy hóa thành các ion lithium. Các ion lithium bơi đến điện cực âm thông qua chất điện phân, đi vào ngăn chứa của điện cực âm, thu được một electron và bị khử thành các nguyên tử lithium. Khi xả, toàn bộ quá trình được đảo ngược. Để ngăn các điện cực dương và âm của pin chạm trực tiếp vào nhau gây đoản mạch, người ta thêm một tờ giấy phân cách có nhiều lỗ vào pin để ngăn ngừa đoản mạch. Giấy phân tách tốt cũng có thể tự động đóng các lỗ chân lông khi nhiệt độ pin quá cao, khiến các ion lithium không thể đi qua, từ đó làm mất mục đích và ngăn ngừa nguy hiểm.
Bảo vệ
Sau khi pin lithium được sạc quá mức đến điện áp cao hơn 4,2V, nó sẽ bắt đầu tạo ra các tác dụng phụ. Điện áp quá tải càng cao thì rủi ro càng cao. Sau khi điện áp của pin lithium cao hơn 4,2V, số nguyên tử lithium còn lại trong vật liệu điện cực dương sẽ ít hơn một nửa. Lúc này, các ô nhớ thường sẽ bị sập khiến dung lượng pin bị giảm vĩnh viễn. Nếu tiếp tục sạc, do ngăn chứa của điện cực âm đã chứa đầy các nguyên tử lithium, kim loại lithium tiếp theo sẽ tích tụ trên bề mặt vật liệu điện cực âm. Những nguyên tử lithium này sẽ phát triển các sợi nhánh từ bề mặt của điện cực âm theo hướng của các ion lithium. Những tinh thể kim loại lithium này sẽ đi qua giấy phân cách và làm đoản mạch các điện cực dương và âm. Đôi khi pin phát nổ trước khi xảy ra đoản mạch. Điều này là do trong quá trình sạc quá mức, chất điện phân và các vật liệu khác sẽ nứt và sinh ra khí, khiến vỏ pin hoặc van áp suất bị phồng lên và vỡ ra, khiến oxy đi vào và phản ứng với các nguyên tử lithium tích tụ trên bề mặt điện cực âm. Và sau đó bùng nổ. Do đó, khi sạc pin lithium, phải đặt giới hạn điện áp trên để có thể đồng thời tính đến tuổi thọ, dung lượng và độ an toàn của pin. Giới hạn trên lý tưởng của điện áp sạc là 4,2V.
Pin lithium cũng cần có giới hạn điện áp thấp hơn khi xả. Khi điện áp tế bào thấp hơn 2,4V, một số vật liệu sẽ bắt đầu bị phá hủy. Và vì pin sẽ tự xả nên thời gian xả càng lâu thì điện áp sẽ càng thấp. Vì vậy, tốt nhất không nên ngừng xả ở mức 2,4V. Trong khoảng thời gian pin lithium được xả từ 3.{6}}V xuống 2,4V, năng lượng giải phóng chỉ chiếm khoảng 3% dung lượng pin. Do đó, 3.0V là điện áp cắt phóng điện lý tưởng.
Khi sạc và xả, ngoài việc giới hạn điện áp, việc giới hạn dòng điện cũng cần thiết. Khi dòng điện quá lớn, các ion lithium không có thời gian để đi vào vị trí lưu trữ và sẽ tích tụ trên bề mặt vật liệu. Sau khi các ion lithium này thu được electron, chúng sẽ tạo ra các tinh thể nguyên tử lithium trên bề mặt vật liệu, điều này nguy hiểm như sạc quá mức. Nếu vỏ pin bị vỡ, nó sẽ phát nổ.
Do đó, việc bảo vệ pin lithium-ion ít nhất phải bao gồm: giới hạn trên của điện áp sạc, giới hạn dưới của điện áp phóng điện và giới hạn trên của dòng điện. Thông thường, trong một bộ pin lithium, ngoài lõi pin lithium sẽ có một tấm bảo vệ. Tấm bảo vệ này chủ yếu cung cấp ba biện pháp bảo vệ này. Tuy nhiên, ba biện pháp bảo vệ này của bảng bảo vệ rõ ràng là chưa đủ, và các vụ nổ pin lithium vẫn thường xuyên xảy ra trên khắp thế giới. Để đảm bảo an toàn cho hệ thống ắc quy, phải tiến hành phân tích kỹ hơn về nguyên nhân gây nổ ắc quy.
Nguyên nhân gây nổ pin
1. Độ phân cực bên trong lớn!
2. Mảnh cực hấp thụ nước và phản ứng với chất điện phân.
3. Chất lượng và hiệu suất của chất điện phân.
4. Khi bơm chất lỏng, lượng chất lỏng được bơm không đáp ứng yêu cầu của quy trình.
5. Trong quá trình lắp ráp, hiệu suất bịt kín của hàn laser kém, dẫn đến rò rỉ không khí và phát hiện rò rỉ.
6. Bụi, bụi mảnh cực trước tiên có thể dễ dẫn đến chập mạch vi mô, chưa rõ nguyên nhân cụ thể.
7. Các tấm điện cực dương và âm dày hơn phạm vi xử lý và khó lắp vào vỏ.
8. Vấn đề niêm phong phun chất lỏng, hiệu suất bịt kín kém của quả bóng thép dẫn đến phồng không khí.
9. Vật liệu vỏ đến có thành vỏ dày hơn và sự biến dạng của vỏ ảnh hưởng đến độ dày.
Phân tích loại vụ nổ
Các loại nổ lõi pin có thể được tóm tắt là đoản mạch bên ngoài, đoản mạch bên trong và sạc quá mức. Bên ngoài ở đây đề cập đến phần bên ngoài của pin, bao gồm cả hiện tượng đoản mạch do thiết kế cách nhiệt kém bên trong bộ pin.
Khi xảy ra đoản mạch bên ngoài lõi pin và linh kiện điện tử không cắt được mạch, nhiệt độ cao sẽ sinh ra bên trong lõi pin, khiến một phần chất điện phân bay hơi và giãn nở vỏ pin. Khi nhiệt độ bên trong pin đạt 135 độ C, giấy phân cách chất lượng tốt sẽ đóng các lỗ rỗng lại, phản ứng điện hóa sẽ chấm dứt hoặc gần như chấm dứt, dòng điện giảm mạnh và nhiệt độ cũng giảm từ từ, nhờ đó tránh được hiện tượng vụ nổ. Tuy nhiên, nếu tốc độ đóng lỗ chân lông quá kém hoặc lỗ chân lông không hề đóng lại, nhiệt độ của pin sẽ tiếp tục tăng, nhiều chất điện phân sẽ bay hơi hơn và cuối cùng vỏ pin sẽ vỡ và nhiệt độ pin thậm chí sẽ tăng lên đến điểm mà nó được sử dụng. Vật liệu cháy và phát nổ.
Đoản mạch bên trong chủ yếu là do các vệt của lá đồng và lá nhôm xuyên qua màng ngăn hoặc đuôi gai của các nguyên tử lithium xuyên qua màng ngăn. Những kim loại nhỏ như kim này có thể gây đoản mạch vi mô. Vì kim rất mỏng và có giá trị điện trở nhất định nên dòng điện có thể không lớn lắm. Các vệt lá đồng và nhôm được tạo ra trong quá trình sản xuất. Hiện tượng dễ quan sát là pin bị rò rỉ quá nhanh và hầu hết đều có thể được các nhà máy sản xuất cell pin hoặc nhà máy lắp ráp sàng lọc. Hơn nữa, do các gờ quá nhỏ nên đôi khi chúng bị đốt cháy khiến pin trở lại bình thường. Vì vậy, khả năng xảy ra cháy nổ do ngắn mạch vi mô burr là không cao.
Tuyên bố này có thể được hỗ trợ bởi số liệu thống kê từ thực tế là thường có pin xấu, điện áp thấp ngay sau khi sạc ở nhiều nhà máy sản xuất pin khác nhau, nhưng vụ nổ hiếm khi xảy ra. Vì vậy, các vụ nổ do đoản mạch bên trong chủ yếu là do sạc quá mức. Bởi vì sau khi sạc quá mức, các tinh thể kim loại lithium giống như kim tiêm xuất hiện khắp nơi trên mảnh cực, các điểm thủng ở khắp mọi nơi và hiện tượng đoản mạch vi mô xảy ra khắp nơi. Do đó, nhiệt độ của pin sẽ tăng dần và cuối cùng nhiệt độ cao sẽ tạo ra khí điện phân. Trong trường hợp này, nếu nhiệt độ quá cao khiến vật liệu cháy và phát nổ, hoặc lớp vỏ bị vỡ trước, để không khí lọt vào và oxy hóa mạnh kim loại lithium thì sẽ dẫn đến một vụ nổ.
Tuy nhiên, vụ nổ do đoản mạch bên trong do sạc quá mức không nhất thiết phải xảy ra tại thời điểm sạc. Có thể khi nhiệt độ của pin không đủ cao để vật liệu cháy và khí sinh ra không đủ làm vỡ vỏ pin, người tiêu dùng sẽ ngừng sạc và lấy điện thoại di động ra ngoài. Tại thời điểm này, nhiệt sinh ra do nhiều mạch ngắn vi mô sẽ làm tăng nhiệt độ của pin từ từ. Sau một thời gian, pin sẽ phát nổ. Mô tả chung của người tiêu dùng là họ thấy điện thoại rất nóng khi cầm lên và sau đó phát nổ sau khi vứt đi.
Dựa trên các loại vụ nổ trên, chúng ta có thể tập trung vào việc phòng chống cháy nổ ở ba khía cạnh: ngăn ngừa sạc quá mức, ngăn ngừa đoản mạch bên ngoài và cải thiện độ an toàn của pin. Trong số đó, ngăn ngừa quá tải và ngăn ngừa đoản mạch bên ngoài thuộc về bảo vệ điện tử, có liên quan chặt chẽ đến thiết kế hệ thống pin và lắp ráp pin. Trọng tâm của việc cải thiện độ an toàn của pin là bảo vệ hóa học và cơ học, có mối quan hệ chặt chẽ hơn với các nhà sản xuất pin.
thông số thiết kế
Vì trên thế giới có hàng trăm triệu điện thoại di động nên để đạt được sự an toàn, tỷ lệ thất bại trong bảo vệ an ninh phải nhỏ hơn một trên 100 triệu. Bởi vì tỷ lệ hỏng hóc của bảng mạch nhìn chung cao hơn nhiều so với 1 trên 100 triệu. Vì vậy, khi thiết kế hệ thống ắc quy phải có nhiều hơn hai tuyến bảo vệ an toàn. Một lỗi thiết kế thường gặp là sử dụng bộ chuyển đổi để sạc trực tiếp bộ pin. Bằng cách này, nhiệm vụ quan trọng của việc bảo vệ quá tải được chuyển hoàn toàn cho tấm bảo vệ trên bộ pin. Mặc dù tỷ lệ hỏng hóc của tấm bảo vệ không cao, ngay cả khi tỷ lệ hỏng hóc thấp đến một phần triệu thì tai nạn cháy nổ vẫn sẽ xảy ra hàng ngày trên khắp thế giới.
Nếu hệ thống pin có thể cung cấp hai cấp độ bảo vệ an toàn đối với tình trạng sạc quá mức, xả quá mức và quá dòng, nếu tỷ lệ hỏng hóc của mỗi cấp độ bảo vệ là 1/10,000 thì hai cấp độ bảo vệ đó có thể giảm tỷ lệ thất bại là 1 trên 100,000,000. Sơ đồ khối hệ thống sạc pin thông thường như sau, bao gồm bộ sạc và bộ pin. Bộ sạc bao gồm hai phần: bộ chuyển đổi và bộ điều khiển sạc. Bộ chuyển đổi chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC và bộ điều khiển sạc sẽ giới hạn dòng điện và điện áp tối đa của nguồn DC. Bộ pin bao gồm hai phần: tấm bảo vệ và cell pin, cũng như PTC để hạn chế dòng điện tối đa.
Lấy hệ thống pin điện thoại di động làm ví dụ. Hệ thống bảo vệ quá tải sử dụng điện áp đầu ra của bộ sạc được đặt ở khoảng 4,2V để đạt được mức bảo vệ đầu tiên. Bằng cách này, ngay cả khi tấm bảo vệ trên bộ pin bị hỏng thì pin sẽ không bị sạc quá mức. Nguy hiểm xảy ra. Cấp độ bảo vệ thứ hai là chức năng bảo vệ quá tải trên bảng bảo vệ, thường được đặt thành 4,3V. Bằng cách này, bảng bảo vệ thường không phải chịu trách nhiệm cắt dòng sạc. Nó chỉ cần hoạt động khi điện áp của bộ sạc cao bất thường. Bảo vệ quá dòng được cung cấp bởi tấm bảo vệ và tấm giới hạn dòng điện. Đây cũng là hai lớp bảo vệ chống quá dòng và ngắn mạch bên ngoài. Vì hiện tượng xả quá mức chỉ xảy ra khi sử dụng các sản phẩm điện tử. Do đó, thiết kế chung là bảng mạch của sản phẩm điện tử cung cấp cấp độ bảo vệ đầu tiên và bảng bảo vệ trên bộ pin cung cấp cấp độ bảo vệ thứ hai. Khi các sản phẩm điện tử phát hiện thấy điện áp nguồn thấp hơn 3.0V, chúng sẽ tự động tắt. Nếu sản phẩm không được thiết kế chức năng này, bo mạch bảo vệ sẽ đóng mạch phóng điện khi điện áp xuống thấp tới 2,4V.
Nói tóm lại, khi thiết kế hệ thống pin, phải cung cấp hai cấp độ bảo vệ điện tử đối với tình trạng sạc quá mức, xả quá mức và quá dòng. Bảng bảo vệ là tuyến bảo vệ thứ hai. Tháo tấm bảo vệ trước khi sạc. Nếu pin phát nổ nghĩa là thiết kế kém.
Mặc dù phương pháp trên cung cấp hai lớp bảo vệ, nhưng người tiêu dùng thường mua bộ sạc không chính hãng để sạc sau khi bộ sạc bị hỏng và các nhà sản xuất bộ sạc, vì cân nhắc về chi phí, thường loại bỏ bộ điều khiển sạc để giảm chi phí. . Kết quả là tiền xấu sinh ra tiền tốt và nhiều bộ sạc kém chất lượng xuất hiện trên thị trường. Điều này làm cho việc bảo vệ quá tải mất đi tuyến phòng thủ đầu tiên và quan trọng nhất. Sạc quá mức là yếu tố quan trọng nhất gây nổ pin. Vì vậy, những bộ sạc kém chất lượng có thể được coi là thủ phạm gây nổ pin.
Tất nhiên, không phải tất cả các hệ thống pin đều sử dụng giải pháp nêu trên. Trong một số trường hợp, bộ pin cũng sẽ có thiết kế bộ điều khiển sạc. Ví dụ: Nhiều máy tính xách tay có bộ điều khiển sạc cho pin ngoài. Điều này là do máy tính xách tay thường có bộ điều khiển sạc được tích hợp sẵn trong máy tính và chỉ cung cấp cho người tiêu dùng một bộ chuyển đổi. Vì vậy, bộ pin ngoài của máy tính xách tay phải có bộ điều khiển sạc để đảm bảo an toàn cho bộ pin ngoài khi sạc bằng bộ chuyển đổi. Ngoài ra, các sản phẩm được sạc bằng bật lửa ô tô đôi khi có bộ điều khiển sạc được tích hợp trong bộ pin.
tuyến phòng thủ cuối cùng
Nếu các biện pháp bảo vệ điện tử không thành công, tuyến phòng thủ cuối cùng sẽ được cung cấp bởi lõi pin. Mức độ an toàn của lõi pin có thể được phân biệt một cách đại khái dựa trên việc liệu lõi pin có thể vượt qua tình trạng đoản mạch và quá tải bên ngoài hay không. Bởi vì, trước khi pin phát nổ, nếu có các nguyên tử lithium tích tụ trên bề mặt vật liệu bên trong thì vụ nổ sẽ mạnh hơn. Hơn nữa, chức năng bảo vệ quá tải thường chỉ có một tuyến phòng thủ duy nhất vì người tiêu dùng sử dụng bộ sạc kém chất lượng. Do đó, khả năng chịu được tình trạng quá tải của pin quan trọng hơn khả năng chịu được các hiện tượng đoản mạch bên ngoài.
So sánh độ an toàn của pin vỏ nhôm và pin vỏ thép Vỏ nhôm có ưu điểm an toàn cao hơn vỏ thép.