Expanzní poškození lithiových baterií

Charakteristika skořepiny
Lithium s atomovým číslem 3 a atomovou hmotností 6,941 je nejlehčím prvkem alkalického kovu. Aby se zlepšila bezpečnost a napětí, vědci vynalezli materiály, jako je grafit a oxid lithný a kobaltnatý pro ukládání atomů lithia. Molekulární struktura těchto materiálů tvoří malé úložné mřížky v nanoměřítku, které lze použít k ukládání atomů lithia. Tímto způsobem, i když praskne pouzdro baterie a vnikne kyslík, kvůli velké velikosti molekul kyslíku nemohou vstoupit do těchto malých úložných prostorů, čímž se zabrání kontaktu atomů lithia s kyslíkem a zabrání se výbuchům.
Ochranná opatření
Po přebití článků lithiové baterie na napětí vyšší než 4,2V se začnou objevovat vedlejší účinky. Čím vyšší je přebíjecí napětí, tím vyšší je nebezpečí. Když napětí článku lithiové baterie překročí 4,2 V, v materiálu kladné elektrody zůstane méně než polovina atomů lithia, což způsobí kolaps úložného prostoru a trvalou ztrátu kapacity baterie. Pokud nabíjení pokračuje, protože úložný prostor záporné elektrody je již naplněn atomy lithia, bude se na povrchu materiálu záporné elektrody hromadit následující lithiový kov. Tyto atomy lithia budou růst dendritické krystaly z povrchu záporné elektrody směrem k iontům lithia. Tyto lithiové kovové krystaly projdou separátorem a způsobí zkrat mezi kladnou a zápornou elektrodou. Někdy baterie exploduje dříve, než dojde ke zkratu, protože během přebíjení se materiály, jako je elektrolyt, rozloží a produkují plyn, což způsobí, že pouzdro baterie nebo tlakový ventil nabobtná a protrhne, což umožní kyslíku vstoupit a reagovat s atomy lithia nahromaděnými na záporné elektrodě. povrchu, což vede k explozi.
Proto je při nabíjení lithiových baterií nutné nastavit horní hranici napětí, aby se současně zohlednila životnost, kapacita a bezpečnost baterie. Ideální horní hranice nabíjecího napětí je 4,2V. Při vybíjení lithiových baterií by také měla být nižší hranice napětí. Když je napětí bateriového článku pod 2,4 V, některé materiály se začnou poškozovat. V důsledku samovybíjení baterie se napětí časem sníží. Proto je nejlepší jej před zastavením nevybíjet na 2,4V. Během doby vybíjení od 3{7}}V do 2,4V představuje energie uvolněná lithiovými bateriemi pouze asi 3 % kapacity baterie. Proto 3.{12}}V je ideální vybíjecí napětí. Během nabíjení a vybíjení je kromě omezení napětí nutné také omezení proudu. Když je proud příliš vysoký, ionty lithia nemohou včas vstoupit do zásobní buňky a budou se hromadit na povrchu materiálu.
Po získání elektronů tyto ionty lithia vytvoří na povrchu materiálu krystaly atomu lithia, které mohou, stejně jako přebíjení, způsobit nebezpečí. Pokud pouzdro baterie praskne, exploduje. Ochrana lithium-iontových baterií by proto měla zahrnovat alespoň tři položky: horní mez nabíjecího napětí, spodní mez vybíjecího napětí a horní mez proudu. V typické lithiové baterii je kromě článků lithiové baterie ochranná deska, která poskytuje především tyto tři ochrany. Tyto tři ochrany ochranné desky však zjevně nestačí a globální incidenty výbuchu lithiových baterií jsou stále časté. Aby byla zajištěna bezpečnost bateriového systému, musí být provedena pečlivější analýza příčin explozí baterií.