Expanzné poškodenie lítiových batérií

Charakteristika škrupiny
Lítium s atómovým číslom 3 a atómovou hmotnosťou 6,941 je najľahším prvkom alkalického kovu. Aby sa zlepšila bezpečnosť a napätie, vedci vynašli materiály, ako je grafit a oxid lítno-kobaltnatý na ukladanie atómov lítia. Molekulárna štruktúra týchto materiálov tvorí nanorozmerové malé úložné mriežky, ktoré možno použiť na ukladanie atómov lítia. Týmto spôsobom, aj keď praskne puzdro batérie a vnikne kyslík, kvôli veľkej veľkosti molekúl kyslíka nemôžu vstúpiť do týchto malých úložných priestorov, čím sa zabráni kontaktu atómov lítia s kyslíkom a zabráni sa výbuchom.
Ochranné opatrenia
Po prebití článkov lítiovej batérie na napätie vyššie ako 4,2V sa začnú objavovať vedľajšie účinky. Čím vyššie je prebíjacie napätie, tým vyššie je nebezpečenstvo. Keď napätie lítiového batériového článku presiahne 4,2 V, v materiáli kladnej elektródy zostane menej ako polovica atómov lítia, čo spôsobí kolaps úložného priestoru a trvalú stratu kapacity batérie. Ak nabíjanie pokračuje, pretože úložný priestor zápornej elektródy je už naplnený atómami lítia, na povrchu materiálu zápornej elektródy sa bude hromadiť ďalší kovový lítium. Tieto atómy lítia budú rásť dendritické kryštály z povrchu zápornej elektródy v smere k lítiovým iónom. Tieto kryštály lítiového kovu prejdú cez separátor a spôsobia skrat medzi kladnou a zápornou elektródou. Niekedy batéria exploduje skôr, ako dôjde ku skratu, pretože počas prebíjania sa materiály, ako je elektrolyt, rozložia a produkujú plyn, čo spôsobí napučiavanie a prasknutie puzdra batérie alebo tlakového ventilu, čo umožňuje kyslíku vstúpiť a reagovať s atómami lítia nahromadenými na zápornej elektróde. povrchu, čo vedie k výbuchu.
Preto pri nabíjaní lítiových batérií je potrebné nastaviť hornú hranicu napätia, aby sa súčasne zohľadnila životnosť, kapacita a bezpečnosť batérie. Ideálna horná hranica nabíjacieho napätia je 4,2V. Pri vybíjaní lítiových batérií by mala existovať aj nižšia hranica napätia. Keď je napätie článku batérie nižšie ako 2,4 V, niektoré materiály sa začnú poškodzovať. V dôsledku samovybíjania batérie sa napätie časom zníži. Preto je najlepšie ho pred zastavením nevybíjať na 2,4V. Počas doby vybíjania od 3.{7}}V do 2,4 V predstavuje energia uvoľnená lítiovými batériami len asi 3 % kapacity batérie. Preto 3.{12}}V je ideálne vypínacie napätie. Počas nabíjania a vybíjania sú okrem obmedzenia napätia potrebné aj obmedzenia prúdu. Keď je prúd príliš vysoký, lítiové ióny nemôžu včas vstúpiť do zásobníka a budú sa hromadiť na povrchu materiálu.
Po získaní elektrónov tieto lítiové ióny vytvoria na povrchu materiálu kryštály lítiových atómov, ktoré, podobne ako prebitie, môžu spôsobiť nebezpečenstvo. Ak sa obal batérie pretrhne, vybuchne. Preto by ochrana lítium-iónových batérií mala zahŕňať aspoň tri položky: hornú hranicu nabíjacieho napätia, spodnú hranicu vybíjacieho napätia a hornú hranicu prúdu. V typickej lítiovej batérii sa okrem lítiových batériových článkov nachádza ochranná doska, ktorá poskytuje hlavne tieto tri ochrany. Tieto tri ochrany ochrannej dosky však zjavne nestačia a globálne incidenty výbuchu lítiovej batérie sú stále časté. Aby sa zaistila bezpečnosť batériového systému, musí sa vykonať starostlivejšia analýza príčin výbuchu batérie.