Защо топлинното разбягване е рядкост при литиево-йонните батерии за потребителски устройства？

Инцидентите с топлинен разгон при потребителски батерии (като литиево-йонни батерии в мобилни телефони, лаптопи и други устройства) са сравнително редки, предимно поради консервативния им дизайн, излишни механизми за безопасност, контролирани условия на употреба и строго отраслево наблюдение.

1. Технически дизайн: консервативна стратегия намалява риска

• Малък капацитет и ниска плътност на енергията

Ограничения по капацитет: Батериите за битова употреба обикновено имат капацитет между 1000 mAh и 5000 mAh (напр. батерии за мобилни телефони, приблизително 3000–5000 mAh), което е значително по-ниско в сравнение с тягови батерии (напр. батерийни пакети за електрически превозни средства, които могат да достигнат 50–100 kWh). Малкокапацитетните батерии освобождават ограничено количество енергия при топлинен разгон, поради което е по-малко вероятно да предизвикат силно горене или експлозия, дори ако възникне повреда.

Баланс на плътността на енергията: За постигане на баланс между безопасност и продължителност на живота на батерията, потребителските батерии често използват зрели системи с графитов анод и катод от литиев кобалтов оксид (LiCO) / тройна смес, вместо силициев анод и катод с високо съдържание на никел (като NCM811 / NCA), които целят крайна плътност на енергията. Катодите от LiCO предлагат по-висока химическа стабилност в сравнение с високоникеловите материали, което намалява риска от топлинен разгон.

• Структурна оптимизация и дизайн за отвеждане на топлина

Компактна конструкция: Устройствата за потребителска електроника разполагат с ограничено вътрешно пространство и батериите често са плътно интегрирани с материнската платка и модула за охлаждане. Производителите използват конструкции като графенови радиатори, тръби за течностно охлаждане и топлопроводи, за да ускорят топлопроводността и да предотвратят локално прегряване. Например, геймърските телефони използват многослойна структура за отвеждане на топлината, за да защитят батерията от продължителни високи температури.

Антиексплозивна конструкция: Капакът на батерията е изработен от самозагасващ се материал PC/ABS, който може да забави разпространението на огъня, дори ако горенето започне вътрешно; някои устройства пълнят аерогел или материали с фазово преобразуване около батерията, за да абсорбират топлина и да изолират кислорода.

• Технология на предпазен клапан и мембрана

Предпазен клапан: Когато вътрешното налягане в батерията е твърде високо (например на ранен етап на топлинен пробив), предпазният клапан се разрушава и освобождава газ, за да се предотврати експлозия.

Сепаратор с керамично покритие: Върху повърхността на конвенционален полиетиленов (PE) сепаратор се нанася керамичен слой, за да се подобри устойчивостта му при високи температури. Дори при локално късо съединение, сепараторът няма бързо да се свие и да допусне контакт между положителния и отрицателния електроди, което предотвратява веригата от топлинен пробив.

2. Механизъм за безопасност: многократен защитен редундантен дизайн

• Усъвършенстване на системата за управление на батерията (BMS)

Защита от превключване/презареждане: Когато напрежението на батерията достигне 4,35 V (праг за превключване), BMS прекъсва зарядната верига; когато напрежението падне под 2,5 V, разреждането се забранява, за да се предотвреди повреда на батерията.

Мониторинг на температурата: Вграденият температурен сензор следи в реално време температурата на батерията. Когато температурата надвиши 45 °C, се активира охлаждане (например намаляване на зарядната мощност) или се дава сигнал за тревога. Когато температурата стане твърде висока (например над 60 °C), захранването се изключва директно.

Ограничение в момента: Когато токът на разряд е твърде голям (например при късо съединение), системата BMS ще задейства предпазен механизъм или ще ограничи изходната мощност, за да се предотврати прегряване, причинено от претоварване с ток.

• Консервативна стратегия за бързо зареждане

Бързото зареждане на потребителски батерии обикновено използва стъпално зареждане (например първо постоянен ток, след това постоянно напрежение) и преминава към капково зареждане, когато зарядът на батерията достигне 80%, за да се намали натрупването на топлина.

Ограничение на мощността при зареждане: Например, мощността за бързо зареждане на мобилни телефони най-често е между 20-100 W, което е много по-ниско в сравнение с бързото зареждане на електрически превозни средства от 150 kW и нагоре, намалявайки риска от топлинен пробой.

• Подобрена самозагасваща способност на материалите

Добавяне на самозагасващи добавки (например фосфати) към електролита, за да се потисне реакцията на горене;

Повърхността на положителния електроден материал е покрита с инертен слой, като алуминиев оксид (Al₂O₃), за намаляване на страничните реакции с електролита и за понижаване на топлинното отделяне.

3. Сценарий на употреба: контролирана среда и стандартизирана операция

• Щадяща работна среда

Устройствата за потребителска електроника обикновено се използват при стайна температура (0-40°C) и рядко са изложени на екстремно високи температури (например в автомобил под пряка слънчева светлина) или ниски температури. За разлика от тях, тяговите батерии трябва да се адаптират към широк диапазон от температури от -30°C до 60°C, което води до по-висок риск от топлинен пробив.

• Спецификации за поведението при зареждане

Потребителите обикновено използват оригиналното зарядно устройство (със съответстваща изходна мощност), за да избегнат прекомерно зареждане или пренапрежение;

Избягвайте продължително зареждане през нощта: Много устройства (като мобилни телефони) автоматично спират зареждането след като батерията се зареди напълно, което намалява времето, в което батерията остава напълно заредена (напълно заредената батерия има висока химическа активност и леко увеличен риск от топлинен пробой).

• Пълна физическа защита

Корпусът на устройството е проектиран с оглед защита при падане (например уплътнени рамки на телефони и засилени ъгли), за да се намали риска от късо съединение в батерията, причинено от механични повреди.

Предпазване от метални чужди предмети, пронизващи батерията: Потребителите обикновено не поставят метални предмети като ключове в директен контакт с батерията, което намалява вероятността от късо съединение.

4. Индустриален надзор: строги стандарти и отговорност

• Международно сертифициране за безопасност

UL 1642: Тества безопасността на батериите при екстремни условия като прекомерно зареждане, късо съединение, компресия и пронизване;

IEC 62133: Задава изискванията за производителност на батерии при висока температура, ниска температура, вибрации и други среди;

GB 31241: Задължителен стандарт в Китай, който задава времето за разпространение на пламък след топлинен пробив на батерията (трябва да е ≤30 секунди).

Батериите за потребителски цели трябва да преминат сертифициране по стандарти UL, IEC, GB и други, например:

• Система за отзоваване и отговорност

Ако при батериите на определен бранд често възниква топлинен пробив, производителят е длъжен да стартира отзоваване (както в случая с Samsung Galaxy Note 7) и да поеме правна отговорност. Това принуждава компаниите да контролират стриктно качеството, осигурявайки спазване на изискванията за безопасност във всеки процес – от набавянето на суровини до производството.

5. Сравнение на тягови батерии: Защо риска от топлинен пробив е по-висок?

• Голям капацитет и висока плътност на енергията

Акумулаторните батерии се състоят от хиляди клетки, свързани последователно или успоредно. Събраната енергия на всяка клетка усилва разрушителната сила на топлинния пробой. Например, акумулаторът на Tesla Model 3 има капацитет от приблизително 75 kWh, а енергията, освободена при топлинен пробой, е еквивалентна на 15 кг тротил.

• Сложна среда на употреба

Електрическите превозни средства трябва да преодоляват множество предизвикателства, като високи и ниски температури, вибрации и сблъсъци. Обеспечаването на еднаквост между акумулаторните клетки е трудно, а локално стареене или повреда може да предизвика верижна реакция.

• Бързо зареждане и високи изисквания за мощност

Акумулаторът трябва да поддържа бързо зареждане над 150 kW. Зареждането и разреждането с висок ток води до неравномерна температура вътре в клетката на батерията, което увеличава риска от топлинен пробой.

6. в заключение

Топлинният пробив е по-редко срещан при битови батерии, резултат от консервативен технически дизайн, излишни системи за безопасност, контролирани условия на употреба и строго отраслево наблюдение.