Le lithium est le métal le plus petit et le plus réactif du tableau périodique. En raison de sa petite taille, il présente une densité de capacité élevée et est largement apprécié par les consommateurs et les ingénieurs. Cependant, les propriétés chimiques sont trop réactives, ce qui entraîne des risques extrêmement élevés. Lorsque le lithium métallique est exposé à l’air, il subit une violente réaction d’oxydation avec l’oxygène et explose. Afin d'améliorer la sécurité et la tension, les scientifiques ont inventé des matériaux tels que le graphite et l'oxyde de lithium et de cobalt pour stocker les atomes de lithium. Les structures moléculaires de ces matériaux forment de minuscules réseaux de stockage à l’échelle nanométrique, qui peuvent être utilisés pour stocker des atomes de lithium. De cette façon, même si la coque de la batterie se brise et que de l'oxygène entre, les molécules d'oxygène seront trop grosses pour pénétrer dans ces petits compartiments de stockage, de sorte que les atomes de lithium n'entreront pas en contact avec l'oxygène pour éviter une explosion. Ce principe des batteries lithium-ion permet aux utilisateurs d’atteindre une densité de capacité élevée tout en garantissant la sécurité.
Lorsqu'une batterie lithium-ion est chargée, les atomes de lithium de l'électrode positive perdent des électrons et sont oxydés en ions lithium. Les ions lithium nagent jusqu'à l'électrode négative à travers l'électrolyte, pénètrent dans le compartiment de stockage de l'électrode négative, obtiennent un électron et sont réduits en atomes de lithium. Lors de la décharge, tout le processus est inversé. Afin d'éviter que les électrodes positives et négatives de la batterie ne se touchent directement et ne provoquent un court-circuit, un papier séparateur comportant de nombreux pores est ajouté à la batterie pour éviter les courts-circuits. Un bon papier séparateur peut également fermer automatiquement les pores lorsque la température de la batterie est trop élevée, rendant impossible le passage des ions lithium, ce qui va à l'encontre de l'objectif et évite tout danger.
Sauvegarde
Une fois que la cellule de la batterie au lithium est surchargée à une tension supérieure à 4,2 V, elle commencera à produire des effets secondaires. Plus la tension de surcharge est élevée, plus le risque est élevé. Une fois que la tension des cellules de la batterie au lithium est supérieure à 4,2 V, le nombre d'atomes de lithium restant dans le matériau de l'électrode positive est inférieur à la moitié. À ce moment-là, les cellules mémoire s’effondrent souvent, entraînant une diminution permanente de la capacité de la batterie. Si la charge continue, puisque le compartiment de stockage de l'électrode négative a été rempli d'atomes de lithium, le lithium métallique ultérieur s'accumulera à la surface du matériau de l'électrode négative. Ces atomes de lithium feront croître des dendrites à partir de la surface de l’électrode négative en direction des ions lithium. Ces cristaux de lithium métal vont traverser le papier séparateur et court-circuiter les électrodes positives et négatives. Parfois, la batterie explose avant qu'un court-circuit ne se produise. En effet, pendant le processus de surcharge, l'électrolyte et d'autres matériaux se fissureront et produiront du gaz, provoquant le gonflement et la rupture de la coque de la batterie ou de la soupape de pression, permettant à l'oxygène d'entrer et de réagir avec les atomes de lithium accumulés à la surface de l'électrode négative. Et puis exploser. Par conséquent, lors du chargement de batteries au lithium, la limite supérieure de tension doit être réglée de manière à ce que la durée de vie, la capacité et la sécurité de la batterie puissent être prises en compte en même temps. La limite supérieure idéale de la tension de charge est de 4,2 V.
Les batteries au lithium doivent également avoir une limite de tension inférieure lors de la décharge. Lorsque la tension de la cellule est inférieure à 2,4 V, certains matériaux commencent à être détruits. Et comme la batterie se déchargera automatiquement, plus elle sera déchargée longtemps, plus la tension sera basse. Il est donc préférable de ne pas arrêter la décharge à 2,4 V. Pendant la période où une batterie au lithium est déchargée de 3,0V à 2,4V, l'énergie libérée ne représente qu'environ 3 % de la capacité de la batterie. Par conséquent, 3,0V est une tension de coupure de décharge idéale.
Lors de la charge et de la décharge, outre la limitation de tension, une limitation de courant est également nécessaire. Lorsque le courant est trop important, les ions lithium n’ont pas le temps de pénétrer dans le lieu de stockage et vont s’accumuler à la surface du matériau. Une fois que ces ions lithium ont obtenu des électrons, ils produiront des cristaux d'atomes de lithium à la surface du matériau, ce qui est aussi dangereux qu'une surcharge. Si le boîtier de la batterie se brise, il explosera.
Par conséquent, la protection des batteries lithium-ion doit au moins inclure : la limite supérieure de la tension de charge, la limite inférieure de la tension de décharge et la limite supérieure du courant. Généralement, dans une batterie au lithium, en plus du noyau de la batterie au lithium, il y aura une plaque de protection. Cette plaque de protection assure principalement ces trois protections. Cependant, ces trois protections du panneau de protection ne suffisent évidemment pas, et les incidents d’explosion de batteries au lithium sont encore fréquents dans le monde. Pour garantir la sécurité du système de batterie, une analyse plus minutieuse doit être effectuée sur les causes des explosions de batterie.
Causes de l'explosion de la batterie
1. Grande polarisation interne !
2. La pièce polaire absorbe l'eau et réagit avec l'électrolyte.
3. La qualité et les performances de l’électrolyte lui-même.
4. Lors de l'injection de liquide, la quantité de liquide injectée ne répond pas aux exigences du processus.
5. Pendant le processus d'assemblage, les performances d'étanchéité du soudage laser sont médiocres, ce qui entraîne des fuites d'air et une détection des fuites.
6. La poussière et la poussière des pièces polaires peuvent facilement conduire à un micro-court-circuit en premier, la raison spécifique est inconnue.
7. Les plaques d'électrodes positives et négatives sont plus épaisses que la plage de processus et difficiles à insérer dans la coque.
8. Problème d'étanchéité par injection de liquide, de mauvaises performances d'étanchéité des billes d'acier entraînent un gonflement de l'air.
9. Le matériau de la coque entrant a une paroi de coque plus épaisse et la déformation de la coque affecte l'épaisseur.
Analyse du type d'explosion
Les types d’explosions du noyau de la batterie peuvent être résumés comme suit : court-circuit externe, court-circuit interne et surcharge. L'extérieur fait ici référence à l'extérieur de la cellule de la batterie, y compris les courts-circuits causés par une mauvaise isolation à l'intérieur de la batterie.
Lorsqu'un court-circuit se produit à l'extérieur du noyau de la batterie et que le composant électronique ne parvient pas à couper le circuit, une chaleur élevée sera générée à l'intérieur du noyau de la batterie, provoquant la vaporisation d'une partie de l'électrolyte et l'expansion de la coque de la batterie. Lorsque la température interne de la batterie atteint 135 degrés Celsius, un papier séparateur de bonne qualité fermera les pores, la réaction électrochimique sera terminée ou presque terminée, le courant chutera fortement et la température baissera également lentement, évitant ainsi un explosion. Cependant, si le taux de fermeture des pores est trop faible, ou si les pores ne sont pas fermés du tout, la température de la batterie continuera à augmenter, davantage d'électrolyte se vaporisera et finalement la coque de la batterie éclatera, et la température de la batterie augmentera même jusqu'à le point où il est utilisé. Le matériau brûle et explose.
Le court-circuit interne est principalement causé par les bavures de la feuille de cuivre et de la feuille d'aluminium pénétrant dans le diaphragme, ou par les dendrites des atomes de lithium pénétrant dans le diaphragme. Ces minuscules métaux en forme d’aiguilles peuvent provoquer des micro-courts-circuits. Étant donné que l'aiguille est très fine et a une certaine valeur de résistance, le courant peut ne pas être très important. Des bavures de cuivre et de papier d'aluminium sont causées pendant le processus de production. Le phénomène observable est que la batterie fuit trop rapidement, et la plupart d'entre elles peuvent être éliminées par l'usine de cellules de batterie ou l'usine d'assemblage. De plus, comme les bavures sont si petites, elles sont parfois brûlées, ce qui entraîne un retour à la normale de la batterie. Par conséquent, la probabilité d’explosion provoquée par un micro-court-circuit de bavure n’est pas élevée.
Cette affirmation peut être étayée par des statistiques du fait qu'il y a souvent des batteries défectueuses avec une basse tension peu de temps après le chargement dans diverses usines de batteries, mais que des explosions se produisent rarement. Par conséquent, les explosions provoquées par des courts-circuits internes sont principalement provoquées par une surcharge. Parce qu'après une surcharge, des cristaux de lithium métalliques en forme d'aiguilles sont partout sur la pièce polaire, des points de perforation sont partout et des micro-courts-circuits se produisent partout. Par conséquent, la température de la batterie augmentera progressivement et, finalement, la température élevée gazera l’électrolyte. Dans ce cas, que la température soit trop élevée et que le matériau brûle et explose, ou que la coque soit brisée en premier, permettant à l'air d'entrer et d'oxyder violemment le lithium métallique, cela se terminera par une explosion.
Cependant, l'explosion provoquée par un court-circuit interne provoqué par une surcharge ne se produit pas nécessairement au moment de la charge. Il est possible que lorsque la température de la batterie n'est pas suffisamment élevée pour que le matériau brûle et que le gaz généré ne soit pas suffisant pour faire éclater la coque de la batterie, les consommateurs arrêtent de charger et retirent leur téléphone portable. A ce moment, la chaleur générée par les nombreux micro-courts-circuits fait monter lentement la température de la batterie. Après un certain temps, la batterie explose. Une description courante des consommateurs est qu'ils ont trouvé que le téléphone était très chaud lorsqu'ils l'ont ramassé, puis qu'il a explosé après l'avoir jeté.
Sur la base des types d'explosions ci-dessus, nous pouvons nous concentrer sur la prévention des explosions sous trois aspects : prévenir la surcharge, prévenir les courts-circuits externes et améliorer la sécurité des cellules de batterie. Parmi eux, la prévention des surcharges et la prévention des courts-circuits externes appartiennent à la protection électronique, qui est étroitement liée à la conception du système de batterie et à l'assemblage de la batterie. L'amélioration de la sécurité des cellules de batterie est axée sur la protection chimique et mécanique, qui entretient des relations plus étroites avec les fabricants de cellules de batterie.
les spécifications de conception
Puisqu’il existe des centaines de millions de téléphones mobiles dans le monde, pour garantir la sécurité, le taux de défaillance de la protection de sécurité doit être inférieur à un sur 100 millions. Parce que le taux de défaillance des circuits imprimés est généralement bien supérieur à un sur 100 millions. Par conséquent, lors de la conception d’un système de batterie, il doit y avoir plus de deux lignes de défense de sécurité. Une erreur de conception courante consiste à utiliser l’adaptateur pour charger directement la batterie. De cette façon, la tâche importante de protection contre les surcharges est entièrement confiée à la plaque de protection du bloc de batterie. Bien que le taux de défaillance du panneau de protection ne soit pas élevé, même si le taux de défaillance est aussi faible qu'un sur un million, des accidents d'explosion se produiront encore chaque jour dans le monde.
Si le système de batterie peut fournir deux niveaux de protection de sécurité contre la surcharge, la décharge excessive et la surintensité, si le taux de défaillance de chaque niveau de protection est de un sur 10,000, les deux niveaux de protection peuvent réduire le taux d'échec à un sur 100,000,000. Un schéma fonctionnel courant du système de charge de batterie est le suivant, comprenant un chargeur et un bloc de batterie. Le chargeur contient deux parties : un adaptateur et un contrôleur de charge. L'adaptateur convertit l'alimentation CA en alimentation CC et le contrôleur de charge limite le courant et la tension maximum de l'alimentation CC. Le pack batterie se compose de deux parties : une plaque de protection et une cellule de batterie, ainsi qu'un PTC pour limiter le courant maximum.
Prenons l’exemple du système de batterie du téléphone portable. Le système de protection contre les surcharges utilise la tension de sortie du chargeur pour être réglée à environ 4,2 V pour atteindre le premier niveau de protection. De cette façon, même si la plaque de protection de la batterie tombe en panne, la batterie ne sera pas surchargée. Un danger survient. Le deuxième niveau de protection est la fonction de protection contre les surcharges sur la carte de protection, qui est généralement réglée sur 4,3 V. De cette façon, le panneau de protection n'a généralement pas à être chargé de couper le courant de charge. Il ne doit agir que lorsque la tension du chargeur est anormalement élevée. La protection contre les surintensités est assurée par la plaque de protection et la plaque de limitation de courant. Ce sont également deux couches de protection pour éviter les surintensités et les courts-circuits externes. Parce qu'une décharge excessive ne se produit que lorsque des produits électroniques sont utilisés. Par conséquent, la conception générale est que le circuit imprimé du produit électronique fournisse le premier niveau de protection et que le panneau de protection de la batterie fournisse le deuxième niveau de protection. Lorsque les produits électroniques détectent que la tension d'alimentation est inférieure à 3,0 V, ils doivent s'éteindre automatiquement. Si le produit n'est pas conçu avec cette fonction, le panneau de protection fermera le circuit de décharge lorsque la tension descendra jusqu'à 2,4 V.
En bref, lors de la conception d'un système de batterie, deux niveaux de protection électronique doivent être fournis contre la surcharge, la décharge excessive et la surintensité. Le panneau de protection constitue la deuxième ligne de protection. Retirez la plaque de protection avant de charger. Si la batterie explose, cela signifie une mauvaise conception.
Bien que la méthode ci-dessus offre deux niveaux de protection, les consommateurs achètent souvent des chargeurs non originaux pour recharger après une panne du chargeur, et les fabricants de chargeurs, pour des raisons de coûts, retirent souvent le contrôleur de charge pour réduire les coûts. . En conséquence, la mauvaise monnaie chasse la bonne monnaie et de nombreux chargeurs de mauvaise qualité apparaissent sur le marché. Cela fait perdre à la protection contre les surcharges la première et la plus importante ligne de défense. La surcharge est le facteur le plus important provoquant des explosions de batterie. Par conséquent, les chargeurs de qualité inférieure peuvent être considérés comme responsables des explosions de batteries.
Bien entendu, tous les systèmes de batteries n’utilisent pas la solution présentée ci-dessus. Dans certains cas, la batterie aura également une conception de contrôleur de charge. Par exemple : de nombreux ordinateurs portables disposent de contrôleurs de charge pour leurs clés de batterie externes. En effet, les ordinateurs portables sont généralement équipés d'un contrôleur de charge intégré et ne fournissent aux consommateurs qu'un adaptateur. Par conséquent, la batterie externe d'un ordinateur portable doit disposer d'un contrôleur de charge pour garantir la sécurité de la batterie externe lors du chargement à l'aide d'un adaptateur. De plus, les produits chargés à l’aide d’un allume-cigare de voiture disposent parfois d’un contrôleur de charge intégré à la batterie.
dernière ligne de défense
Si les mesures de protection électroniques échouent, la dernière ligne de défense sera assurée par le noyau de la batterie. Le niveau de sécurité du noyau de la batterie peut être grossièrement distingué selon que le noyau de la batterie peut résister aux courts-circuits externes et aux surcharges. Car, avant que la batterie n’explose, s’il y a des atomes de lithium accumulés à la surface du matériau à l’intérieur, l’explosion sera plus puissante. De plus, la protection contre les surcharges ne dispose souvent que d’une seule ligne de défense, car les consommateurs utilisent des chargeurs de qualité inférieure. Par conséquent, la capacité d’une cellule de batterie à résister à une surcharge est plus importante que sa capacité à résister aux courts-circuits externes.
Comparaison de la sécurité des batteries à boîtier en aluminium et des batteries à boîtier en acier. Les coques en aluminium présentent des avantages de sécurité élevés par rapport aux coques en acier.