¿Por qué Explotan las Baterías de Litio?
1. Características de la batería de litio
El litio es el metal más pequeño y activo de la tabla periódica química. Debido a su pequeño tamaño y alta densidad de capacidad comparación con otro tipo de batería, les gustan los consumidores e ingenieros. Sin embargo, las propiedades químicas son demasiado activas, lo que conlleva riesgos extremadamente altos. Cuando el metal de litio se expone al aire, reacciona violentamente con el oxígeno y luego explota. Para mejorar la seguridad y el voltaje, los científicos inventaron materiales como el grafito y el óxido de litio y cobalto para almacenar átomos de litio. La estructura molecular de estos materiales forma una pequeña rejilla de almacenamiento a nanoescala para átomos de litio. Entonces, incluso si la carcasa de la batería se rompe y entra oxígeno, las moléculas de oxígeno son demasiado grandes para entrar en estas pequeñas celdas de almacenamiento, por lo que los átomos de litio no entrarán en contacto con el oxígeno y evitarán la explosión.
Cuando se carga una batería de iones de litio, los átomos de litio del ánodo pierden electrones y se oxidan a iones de litio. Los iones de litio nadan hacia el cátodo a través del electrolito, entran en la celda de almacenamiento del cátodo y obtienen un electrón, que se reduce a átomos de litio. Al descargar, todo el procedimiento se invierte. Para evitar que el ánodo y el cátodo de la batería se toquen directamente y se cortocircuiten, agregue un papel de diafragma con muchos poros a la batería. Un buen papel de diafragma también puede cerrar automáticamente los poros cuando la temperatura de la batería es demasiado alta, de modo que los iones de litio no puedan pasar y se pueda evitar el peligro.
Para garantizar la seguridad del sistema de batería, debemos analizar con más atención las causas de las explosiones de la batería de litio.
2. Razones de las explosiones de baterías de litio
(1) Gran polarización interna.
(2) La pieza polar absorbe agua y reacciona con el electrolito.
(3) Existen algunos problemas en la calidad y el rendimiento del electrolito.
(4) La cantidad de líquido inyectado no puede cumplir con los requisitos tecnológicos a la hora de inyectar líquido.
(5) En el proceso de ensamblaje, la soldadura láser tiene un rendimiento de sellado deficiente y fugas de aire.
(6) Es probable que el polvo en la pieza polar cause microcortocircuitos, se desconoce la razón específica.
(7) Las piezas polares positivo y negativo son más gruesas que el rango del proceso, lo que dificulta la entrada a la carcasa.
(8) El problema del sellado por inyección de líquido, el rendimiento de sellado deficiente de la bola de acero conduce al abultamiento del aire.
(9) La pared de la carcasa es demasiado gruesa en el material de la carcasa entrante. Y la deformación de la cáscara afecta el grosor.
3. Medidas para evitar explosiones de baterías de litio
Si la celda de la batería de litio se sobrecarga a un voltaje superior a 4,2 V, habrá efectos secundarios. Cuanto mayor sea el voltaje de sobrecarga, mayor será el riesgo. Cuando el voltaje de la celda de la batería de litio es superior a 4,2 V, la cantidad de átomos de litio que quedan en el material del ánodo es menos de la mitad. En este momento, la celda a menudo colapsa, provocando una disminución permanente en la capacidad de la batería.
(1) Límite de voltaje superior
Si continúa cargando, dado que la celda del cátodo ya está llena de átomos de litio, el metal de litio posterior se acumulará en la superficie del material del cátodo. Estos átomos de litio desarrollarán dendritas desde la superficie del cátodo hacia la dirección de los iones de litio. Estos cristales de metal de litio pasarán a través del papel separador y provocarán un cortocircuito en los electrodos positivo y negativo. A veces, la batería explota antes de que ocurra el cortocircuito. Porque durante el proceso de sobrecarga, el electrolito y otros materiales se agrietarán y producirán gas. Y hace que la carcasa de la batería o la válvula de presión se hinchen y se rompan. A continuación, el oxígeno entra y reacciona con los átomos de litio acumulados en la superficie del electrodo negativo y luego explota. Por tanto, a la hora de cargar una batería de litio, debemos fijar el límite superior del voltaje. Para que podamos equilibrar la duración, la capacidad y la seguridad de la batería. El límite superior más ideal del voltaje de carga es 4.2V.
(2) Límite de voltaje inferior
También hay un límite de voltaje más bajo al descargar baterías de litio. Cuando el voltaje de la celda es inferior a 2,4 V, algunos materiales comenzarán a destruirse. Por otro lado, la batería se autodescargará, cuanto más dure, menor será el voltaje. Por lo tanto, es mejor dejar de descargar antes de que el voltaje cambie a 2.4V. Cuando la batería de litio se descarga de 3,0 V a 2,4 V, la energía liberada solo representa aproximadamente el 3% de la capacidad de la batería. Por lo tanto, 3,0 V es un voltaje de corte de descarga ideal.
(3) Límite de corriente superior
Al cargar y descargar, además del límite de voltaje, también es necesario el límite de corriente. Cuando la corriente es demasiado grande, los iones de litio no tienen tiempo de ingresar a la celda de almacenamiento y se acumularán en la superficie del material. Después de que estos iones de litio obtengan electrones, producirán cristales de átomos de litio en la superficie del material. Eso es lo mismo que sobrecargar, que es muy peligroso. Si la caja de la batería se rompe, explotará.
Por tanto, la protección de las baterías de iones de litio debe incluir al menos 3 puntos:
- límite superior de la tensión de carga
- límite inferior de la tensión de descarga
- límite superior de la corriente
En el paquete de baterías de litio general, además del núcleo de la batería de litio, habrá una placa protectora. Y la placa proporciona principalmente estas tres protecciones. Sin embargo, estas tres placas de protección obviamente no son suficientes, y todavía hay frecuentes explosiones de baterías de litio en todo el mundo.
4. Análisis de los tipos de explosiones de baterías de litio
Los tipos de explosión de la celda de la batería se pueden clasificar en: cortocircuito externo, cortocircuito interno y sobrecarga.
Cortocircuito externo
La parte externa aquí se refiere al exterior de la celda de la batería, incluidos los cortocircuitos causados por un diseño de aislamiento interno deficiente del paquete de baterías. Cuando ocurre un cortocircuito en el exterior de la celda y los componentes electrónicos no cortan el circuito, se generará mucho calor dentro de la celda. Y hará que parte del electrolito se vaporice y expanda la carcasa de la batería. Cuando la temperatura interna de la batería alcanza los 135 ℃, un papel de diafragma de buena calidad cerrará los poros. Entonces, la reacción electroquímica terminará o casi terminará. Además, la corriente caerá bruscamente con la temperatura bajando lentamente, evitando así una explosión. Sin embargo, el papel de diafragma con una tasa de cierre de poros deficiente o los poros no cerrados provocarán el aumento de la temperatura de la batería. Y se vaporizará más electrolito. Finalmente, la carcasa de la batería se romperá. Lo que es peor, la temperatura de la batería será lo suficientemente alta como para hacer que el material se queme y explote.
Cortocircuito interno
El cortocircuito interno se debe principalmente a que el diafragma está perforado por las rebabas de la hoja de cobre y la hoja de aluminio, o los cristales dendríticos de los átomos de litio. Estos diminutos metales en forma de agujas pueden causar micro cortocircuitos. Dado que la aguja es muy delgada y tiene un cierto valor de resistencia, la corriente no es necesariamente grande. Las rebabas de cobre y papel de aluminio son causadas por el proceso de producción. La batería gotea demasiado rápido y la mayoría de ellos pueden ser revisados por la fábrica de celdas de batería o la fábrica de ensamblaje. Sin embargo, las pequeñas rebabas a veces pueden quemarse, lo que hace que la batería vuelva a la normalidad. Por lo tanto, la probabilidad de explosión causada por microcortocircuitos de rebabas no es alta. Esto puede atestiguarse por el hecho de que a menudo hay baterías defectuosas con bajo voltaje poco después de la carga en varias fábricas de celdas de batería, pero hay pocas explosiones. Por tanto, la explosión provocada por un cortocircuito interno se debe principalmente a una sobrecarga.
Esta es la razón: después de la sobrecarga, hay cristales de metal de litio en forma de aguja por todas partes en la pieza polar. Además, el punto de pinchazo está en todas partes con el micro cortocircuito. Por lo tanto, la temperatura de la batería aumentará gradualmente, lo que finalmente hará que el electrolito se vuelva gas. Las siguientes situaciones terminarán con una explosión:
- La temperatura es demasiado alta para hacer que el material se queme y explote.
- La capa exterior se rompe primero, con el aire entrando y oxidando el metal de litio.
Sobrecargar
Pero la explosión por sobrecarga no ocurre necesariamente en el momento de la carga. Es posible que cuando la temperatura de la batería no sea lo suficientemente alta como para quemar el material y el gas generado no sea suficiente para romper la carcasa de la batería, el consumidor deje de cargar y saque el teléfono móvil. En este momento, el calor generado por numerosos micro-cortocircuitos eleva lentamente la temperatura de la batería. Y explota después de un tiempo.
Como hemos conocido las causas de las explosiones de las baterías, ahora debemos prevenir la sobrecarga, los cortocircuitos externos y mejorar la seguridad de la celda. Entre ellos, la prevención de sobrecargas y la prevención de cortocircuitos externos pertenecen a la protección electrónica. Y eso tiene una gran relación con el diseño del sistema de batería y el ensamblaje de la batería. El enfoque de la mejora de la seguridad de las celdas de la batería es la protección química y mecánica. Y tiene una gran conexión con los fabricantes de celdas de batería.
